Elementos finais de controle

Apresentação em tema: "Elementos finais de controle"— Transcrição da apresentação:

1 Elementos finais de controle
Válvulas de controle

2

3

4 Objetivo: Principais dispositivos de controle
Executar ações determinadas pelo controlador Corrigir valores que desviaram do valor do set point, atuando sobre a variável manipulada Principais dispositivos de controle Válvulas de controle Chaveamento liga-desliga Motores de velocidade variável - Roscas transportadoras Válvulas dosadoras rotativas Correias transportadoras, etc..

5 Formas de atuação – Componentes de um elemento final de controle
Atuador - Fornece energia para o movimento do dispositivo permitindo assim a variação da variável manipulada, Tipos : Oscilante - Haste alternativa - Movimento unidirecional – Regulam a área de passagem do fluido, mudando a posição do “plug “ em relação a sede da válvula’. Giratórios - Movimento angular - Bombas dosadoras, transportadoras, roscas dosadoras, nos quais regulam a velocidade de rotação. Ainda, abertura por deslocamento angular, válvulas borboleta. Formas de atuação – Elétricos ( solenóides, motorizados), Eletrohidráulicos, Pneumáticos (pistão, ou diafragmas).

6 Válvulas de controle Componentes básicos:
Slide 39 Válvulas Componentes básicos: 43 46 Atuador - Elemento responsável pela ação mecânica (diafragma, solenóide, etc.. ) OBS. Seleção do atuador de acordo com o meio de operação (segurança), disponibilidade de ( sinal elétrico, ar, fluido hidráulico), curso da haste, força necessária, velocidade de deslocamento da haste, etc. Castelo - Elemento de conexão do atuador ao corpo da válvula Corpo da válvula - Parte da válvula onde flui a corrente sob controle região onde é efetuado fisicamente controle do fluxo. Plug – Elemento de configuração especial, com geometria bem definida, conectado por uma haste ao atuado (solenóide, diafragma). Movimenta-se sob comando do atuador estabelecendo uma área variável de passagem do fluido. Sede – Orifício de passagem do fluido onde assenta o elemento de vedação (plug).

7 diafragma

8

9

10

11 SEDE DUPLA

12 Tipos de válvulas (Mais comuns) Válvulas globo Válvula globo
Válvula esfera Válvula gaveta Diafragma Borboleta, etc Válvulas globo As sedes destas válvulas podem ser; únicas ou duplas. Nas válvulas de sede única a ação de fechamento se faz normalmente contra o fluxo, esta forma evita batimentos que causam problemas futuros de desgaste e estanqueidade. A utilização de sede dupla apesar de não permitir boa estanqueidade, tem como principal objetivo o balanceamento da pressão sobre a haste do atuador, o que requer reduzida força deste.

13 Características das válvulas Quanto à forma de movimentação
Globo, gaveta e diafragma - movimento alternativo Esfera e borboleta – giratório 90 ° máximo Dosadoras rotativas – rotação contínua Quanto ao aspecto de segurança Fail Closed – FC - Bloqueadas ao fluxo,na ausência de sinal do controlador. Fail Open - FO - aquelas que funcionam na situação inversa Nas válvulas acionadas pneumaticamente usa-se a denominação AO ( Air to Open ) e AC ( Air to Close).

14 Quanto ao número de vias
Válvulas de duas vias Retas Em ângulo: sólidos em suspensão e produtos abrasivos. freqüentemente com sede simples Válvulas de três De mistura - convergente Divisão de fluxo - divergentes Quatro ou mais vias Obs. Das válvulas de controle por haste alternativa, as do tipo globo são as mais freqüentemente empregadas. Nestas válvulas, o plug desloca-se perpendicularmente em relação à sede. Enquanto nas válvulas de haste rotativa, o elemento de vedação (plug) desloca-se de um ângulo de no máximo 90 º. Das válvulas com esta configuração, as mais comuns são; as borboletas e a esfera.

15 Válvulas de controle – curva característica
Mostra a relação existente entre o percentual de abertura da válvula e a vazão correspondente que passa através desta, quando a abertura varia de 0 a 100 % para um diferencial de pressão constante sobre a válvula. Válvula de abertura rápida (on – off) Usada para controle de nível, para processo de grande capacitância, etc.. Válvula de característica linear Q = k.y Ideal para controle proporcional

16

17

18 Justificativa para o emprego deste tipo de válvula
Válvula de igual porcentagem ( logarítmica) Q = b. e ay Para um determinado percentual de incrementos na abertura, a válvula deixa passar igual percentual de incremento na vazão. (O avanço do obturador (plug) provoca uma mudança de vazão percentualmente proporcional a vazão anterior). Em outras palavras, quando a válvula está quase fechada, ainda que tenhamos um grande movimento na haste, observa-se pequena variação de vazão, já quando aberta, um pequeno movimento corresponde a uma grande variação de vazão. Justificativa para o emprego deste tipo de válvula Processos sensivelmente afetados pela variação de vazão em relação a vazão presente, quer seja verificado com a válvula no início ou no final do curso.

19 Refere-se a curva de calibração (
Principais aplicações para válvula logarítmica Processo com carga muito variável Processo de pequena variância Controlador proporcional com faixa proporcional larga Controle de temperatura, nível e de vazão em geral. Em relação a sensibilidade as válvulas podem ser: Crescente ( logarítmica ) Decrescente e Constante ( linear ) Curva Característica inerente Refere-se a curva de calibração ( Constante através da válvula) Curva característica instalada - Refere-se à válvula quando presente na malha controlada. Neste caso a pressão diferencial não é constante para o range de vazão, sofrendo influência de bomba e elementos da tubulação.

20 Válvulas de característica parabólica ou igual % ,
A curva característica instalada ( que considera os efeitos de restrição de componentes da instalação ) é normalmente descrita pela equação: Válvula de característica linear, Válvulas de característica parabólica ou igual % , L e Q são; o % do deslocamento e fluxo máximo, respectivamente . O termo  é definido como: razão entre diferença de pressão através da válvula na condição de fluxo máximo e a diferença para a condição de menor vazão. Obs. Valores decrescentes de  significam aumento das restrições através da válvula, enquanto para valor de  igual a 1 ( um ), a curva característica instalada reproduz a inerente. ( constante – de acordo com a definição da curva inerente)

21 POSICIONADORES Parte integrante de algumas válvulas de controle, presente quando o processo exige das válvulas comportamento mais crítico. Recebem o sinal de saída do controlador, monitoram mecanicamente o atuador e através de ampliação (correção) do sinal melhoram o desempenho do elemento final de controle procedendo retro-alimentação. Assim operando corrigem e reposicionam a haste, remetendo desta forma ação mecânica que corrigirá erros na posição relativa plug/sede, aumentando assim a controlabilidade da válvula de controle, isto é , aumentando desta forma sua sensibilidade

22 DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE
Efetuado através do cálculo do coeficiente de vazão Cv (Fator de fluxo (Kv)). Definição Quantidade em galões (U.S) / min de água que passa através da válvula ( totalmente aberta) acarretando uma perda de carga de 1(um ) PSI. a 60 F. Os cálculos do Cv provêm da fórmula base para o cálculo de vazão: Levam em conta as características dos fluidos, se compressíveis ou não. Podem também variar de acordo com parâmetros definidos pelos fabricantes das válvulas). Kv ( SI ) =, m3/h a 20o C com um ΔP de 1 kg/cm2 (1bar). Fatores de conversão: Cv = 1,16 Kv K v = 0,853 Cv

23 Dimensionamento - Considerações
A perda de carga introduzida no sistema deve sempre ser levada em consideração. Será tanto maior quanto mais próxima do fechamento. Baixa perda de carga válvula de grande capacidade. Acarreta ao sistema baixa “ rangebilidade “. Quando em operação deve trabalhar quase totalmente fechada, reduzindo desta forma o controle. Elevada P Pequena capacidade Grande sensibilidade. Reduzida controlabilidade. Opera próximo da abertura total. Regra geral P de uma válvula, quando em operação normal, 20 a 50 % da P dinâmica da tubulação ou, P , 25% da perda de carga total ou 10 psi. Adota-se aquele valor que for maior.

24 Coeficiente de vazão para líquidos
Vazão volumétrica Cv = * adimensional q = vazão ( galões / min ) P = perda de carga através da válvula (psi) Gf = densidade específica na temperatura de operação (água (60 º F) = 1 ) Vazão mássica W = lb / h * ( galões / min ) definição do Cv

25 Cálculo de Cv para gases e vapores
Fluxo crítico Na ocorrência de fluxo crítico A vazão não mais é função da diferença de pressão entre a montante e a jusante da válvula, dependendo somente da pressão a montante. O fenômeno ocorre após o fluido alcançar velocidade sônica na vena contracta. A partir deste ponto a variação de pressão posterior a válvula não mais afeta o fluxo.

26 Exemplo - Fórmulas do fabricante Masoneilan:
Para gases Fluxo volumétrico Fluxo mássico Para vapor de água

27 T = Temperatura (o R) Cf = Fator de fluxo crítico (0,6 a 0,95) W = Vazão em lb/h TSH = Temperatura em grau de superaquecimento ( o F) Cv = adimensional * q = Vazão US (gpm) ΔP = P1- P2 através da válvula (psi) P1 = Pressão na entrada P2 = Pessão na saída Q = Vazão do gás em scfh. (14,7 e 60º F) G = Densidade do gás (14,7 psi e 60º F), (ar = 1). Obs.Para gás ideal, é igual a o quociente entre a massa molecular do gás e a massa molar do ar (=29) Gf = Massa específica do gás na temperatura de operação,

28 Cf, varia para os diferentes tipos de válvula, de 0,6 a 0,95.
O termo (y - 0,148y3 ) , é a função que relaciona a compressibilidade, sendo y definido por: “ y “expressa a condição de fluxo; crítico ou subcrítico. Tem como valor máximo 1,5. Para este valor tem-se que : y - 0,148y3 = 1,0, Portanto quando y = 1, tem-se fluido na condição crítica. Observa-se daí, que para valor de y = 1,5, a vazão só tem dependência com a pressão a montante P1.

29 O fabricante (Ficher) define dois outros coeficientes:
Cg , tendo semelhança ao Cv ( Masoneilan ) e, C1 - Este definido como Cg / Cv , é dependente basicamente do tipo de válvula, apresentando valores tabelados na faixa de 33 a 38. A Equação universal fornecida por Ficher para dimensionamento de válvula para gás, tem a forma abaixo: Fluxo volumétrico Fluxo mássico O termo seno ( em grau, limitado a ) descreve o fenômeno de fluxo crítico a semelhança do termo y de Masoneilan.

30 “Rangebilidade" de válvulas de controle (característica proporcional)
No dimensionamento de uma válvula pelo cálculo do Cv, deve-se fazê-lo tal que esta, quando totalmente aberta permita maior vazão do que o requerido para operação normal. É recomendação prática adotar duas vezes o fluxo de projeto. “Rangebilidade“ R é definida como o quociente, entre a maior e a menor vazão controlável. Adota-se em projeto normalmente uma rangebilidade de 20 a 50. “Rangebilidade" de válvulas de controle (característica proporcional)

31 Equação geral Para fluxo Crítico DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS
Procedimentos de cálculo do (Cv) ou Fator de fluxo (Kv) Equação geral Valores de S e ΔP iguais a (1) unidade. Para fluxo Crítico Fluido gasoso, o Ar, na temperatura de 60oF Água = 1,0 ΔP é a diferença de pressão apresentada pelo fluido, antes e depois da passagem pela válvula S é a densidade relativa ΔP = 1,0 (psia) Q - vazão em galões por minuto.

32 Gases na condição de fluxo crítico velocidade sônica
= ft/s, = psia, = lb/ft3, = calor específico médio. Fluxo Crítico ou Subcrítico? Se ao cruzar uma válvula, a pressão atingida durante e após a passagem pela vena contracta permanece superior a pressão de vapor, tem-se condição subcrítica. Em outras palavras, o escoamento é considerado subcrítico quando a queda de pressão através da válvula é menor que a queda de pressão crítica.

33 Pressão P1 na entrada da válvula
Pressão de vapor Valor da pressão na vena contracta Evolução da pressão anterior, durante e após a passagem pela vena contracta

34 Teste para verificação da modalidade de fluxo Crítico ou Subcrítico?
Obs. 1 ) Condição normal de operação Fluxo subcrítico, “ Flashing” ou Cavitação 2) Condição anormal Fluxo crítico Especificar outra válvula Teste Sendo ΔPS = ΔP crítico Cf = Coeficiente de recuperação de pressão ou fator de fluxo crítico Pv = Pressão de vapor do líquido na temperatura de operação (de entrada na válvula) kgf/cm2. Valores típicos de Válvula Globo simples 0,9, Globo sede dupla 0,8 Válvula Borboleta 0,65 Válvula Esfera 0,6

35 1 2 Dois distintos sistemas de operação são identificados:
Descarga simples, a pressão constante. Descarga a pressão variável, mais usual e freqüente. VERIFICAÇÃO PARA LÍQUIDOS: Procedimentos: Obter o valor de 1 Calcular Se 2 Se Calcular Calculado o ,que representa a queda de pressão crítica, analisa-se o valor da diferença de pressão presente através da válvula Se Fluxo subcrítico Se Fluxo crítico

36 CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO PARA LÍQUIDOS
Fluxo subcrítico Fluxo crítico densidade relativa (para água =1 a 15oC) P1 , pressão na entrada da válvula P2 , pressão após a passagem pela válvula. P = kPa W = kg/h

37 Verificação para gases e vapores
1 Se Fluxo subcrítico 2 Fluxo crítico Se Cálculo do coeficiente de vazão – Ar e outros gases Fluxo crítico Fluxo subcrítico q = vazão de gás na condição Normal ( ft3/h) SG = massa específica do gás (14,7 psi a 60oF) T = oF P = Pressão do gás na entrada da válvula (psia)

38 Na condição de fluxo subcrítico a queda de pressão na saída da
válvula é frequentemente maior do que 53% da pressão de entrada. Observações importantes No cálculo do Cv, este deve ficar entre 1,25 a 2 vezes a vazão de projeto para que se tenha boa "rangebilidade.” O que corresponde a: Uma válvula de controle deve operar na faixa de 85 a 90 % para maior abertura e de 10 a 15 % na posição de menor vazão, isto é: = 0,8 a 0,5 Cvc operação na máxima vazão e Cv , calculado . Obs. Para = 0,5 a 0,8 , pode-se calcular o através da válvula (psi). ≈ posição relativa do plug da válvula,

39 Coeficiente de vazão para vapor de água
Cálculo do para fluxo laminar ou viscoso Coeficiente de vazão para vapor de água VAPOR SATURADO Fluxo crítico P1 = entrada (psia) W = Kg/h ou m = lb/h = lb/ft3.

40 Vapor de água sub crítico
ou Obs. Na condição de fluxo subcrítico, a pressão de saída P2 do vapor após uma válvula de controle é menor que 58% da pressão de entrada P1. Fluido bifásico, sem vaporização (gás inerte) e regime turbulento: antes da válvula após a válvula

41 - Líquido saturado entrando na válvula
ou Líquido + vapor saturado , assumindo vaporização ocorrendo no interior da válvula

42 VAPOR SUPERAQUECIDO dt , temperatura de superaquecimento (oF) do vapor, Isto é, o incremento de temperatura acima da temperatura de saturação na pressão de entrada.

43 vapor saturado (úmido)
% de umidade do vapor. Ex.: Calcular o coeficiente de vazão para um vapor saturado com 5% de umidade massa de vapor massa de água

44 Válvula de Controle linear, ideal para: Controle de nível
Diretrizes gerais para escolha do tipo de válvula em função da operação: Válvula de Controle linear, ideal para: Controle de nível Controle de pressão em fluidos compressíveis Válvula Igual proporcional: Controle de pressão de líquidos Operações com grande “rangebilidade”. Processos que exijam resposta rápida Escolha da válvula em relação às características do fluido: Válvula Globo: fluidos limpos, gases e líquidos de um modo geral. Válvula esfera: Fluidos contendo sólidos, em suspensão, lamas (fluidos pastosos). Válvula Borboleta: Gases a baixa pressão de tubulações de grande diâmetro.

45 DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE ALÍVIO
Dimensionamento para sistemas que estocam ou conduzem gases e vapores A = área mínima de seção necessária para a válvula m = capacidade de descarga (Lb/h) T = Temperatura absoluta (Ro = Fo + 460) C = coeficiente determinado da relação dos calores específicos – depende dos gases * Kd = coeficiente de descarga - 0,975 Kbp = coeficiente de contrapressão = 1 para descarga do sistema para a atmosfera P = Pressão de descarga (psia) = pressão do set point + sobre pressão + pressão atmosférica (14,7 psia) M = peso molecular do gás

46 Cálculo da vazão em (SCFM) De válvula de alívio
qS = capacidade de descarga em (N cfm) SG = massa específica do gás

47 Coeficientes para cálculo de válvula de alívio
Gás Massa molecular Coeficiente C Acetileno 26.04 342 Cloreto de etilla 64.52 336 Nitrogênio 28.02 356 Ar 28.97 Etileno 28.03 341 Óxido nitroso 44.02 348 Amônia 17.03 347 Helio 4.02 377 N-Octano 114.22 321 Argônio 39.94 N-Heptano 100.2 Oxygênio 32.00 Benzeno 78.11 329 Hexano 86.17 322 N-Pentano 72.15 325 N-Butano 58.12 335 Ácido clorídrico 36.47 357 Iso-Pentano Iso-Butano Hidrogênio 2.02 Propano 44.09 330 Dióxido de carbono 44.01 346 Ácido sulfídrico 34.08 349 R-11 137.37 331 Dissulfeto de carbono 76.13 338 Metano 16.04 R-12 120.92 Monóxido de carbono 28.01 Metanol 32.04 337 R-22 86.48 Cloro 70.90 352 Isobutano R-114 170.93 326 Ciclohexano 84.16 Cloreto de metila 50.49 R-123 152.93 327 Etano 30.07 Gás Natural 19.00 344 Dióxido de enxofre 64.04 Etanol 46.07 Óxido nítrico 30.00 Tolueno 92.13

48 Sites Ver também