Aplicações de Controle de Pressão

Existem muitas boas razões para reduzir (e às vezes manter) a pressão do vapor. Este tutorial detalha aplicações comuns para sistemas de controle de pressão de operação direta, piloto, pneumáticos, elétricos e eletropneumáticos, incluindo as vantagens e desvantagens de cada método de controle diferente.

Válvula redutora de pressão auto-acionada de operação direta – tipo fole

Descrição Com este tipo de controlador de pressão auto-acionado, a pressão a jusante (controle) é balanceada (através de um fole) contra uma força de mola. Vantagens:

• Barata.
• Pequena.
• Fácil de instalar
• Muito robusta, dando longa vida com manutenção mínima.
• Tolerante a condições imperfeitas de vapor.
• Princípio auto-acionado significa que nenhuma energia externa é necessária. Desvantagens:
• Controle somente proporcional.
• Banda proporcional de 30% a 40% da pressão a montante.
• Banda proporcional larga significa que o fluxo máximo só é achieved quando a pressão a jusante caiu consideravelmente. Isso significa que a pressão reduzida variará dependendo da vazão.
• Limitada em tamanho
• Vazão limitada.
• Variação na pressão a montante resultará em variação na pressão a jusante. Aplicações: Aplicações não críticas, de carga moderada com vazões de operação constantes, por exemplo:
• Pequenas panelas camiseta.
• Linhas de tracer.
• Calandras.
• Pequenos tanques.
• Banhos de ácido.
• Pequenos calorificadores de armazenamento.
• Aquecedores unitários.
• Pequenas baterias de aquecedores.
• Equipamentos OEM. Pontos a observar:

1. Diferentes versões para vapor, ar comprimido e água.
2. Versões com sede macia podem estar disponíveis para uso em gases.
3. Uma ampla gama de materiais de corpo significa que normas, aplicações e preferências particulares podem ser atendidas.
4. Uma banda proporcional larga significa que cuidado é necessário se a válvula de segurança precisar ser ajustada próxima à pressão de trabalho.

Válvula redutora de pressão auto-acionada de operação direta – tipo diafragma

Com este tipo de controlador de pressão auto-acionado, a pressão a jusante (controle) é balanceada (através de um diafragma) contra uma força de mola. Vantagens:

• Muito robusta.
• Tolerante a vapor úmido e sujo.
• Disponível em grandes tamanhos, portanto altas vazões são possíveis.
• Fácil de ajustar e regular.
• Design simples significa manutenção fácil.
• Princípio auto-acionado significa que nenhuma energia externa é necessária.
• Capaz de lidar com quedas de pressão de 50:1 em pequenos tamanhos, e 10:1 em grandes tamanhos. Desvantagem:
• Banda proporcional larga significa que o controle preciso da pressão a jusante é improvável com grandes mudanças de carga.
• Custo de aquisição relativamente alto, mas o custo ao longo da vida é baixo.
• Volumosa. Aplicação:
• Redes de distribuição.
• Casas de caldeiras. Pontos a observar:

1. Como o diafragma está sujeito a limitações de temperatura bastante baixas, um selo de água é necessário em aplicações de vapor. Isso aumenta ligeiramente o custo.
2. Devido à banda proporcional larga, este tipo de válvula é mais adequado para reduzir a pressão do vapor em áreas da planta em vez de itens individuais de planta.
3. Um caule selado por fole garante manutenção zero e emissões zero.
4. Embora a banda proporcional larga forneça estabilidade, cuidado é necessário se uma válvula de segurança precisar ser ajustada próxima à pressão de trabalho do aparelho.
5. Adequada para aplicações com líquidos.
6. Mais cara que uma válvula operada por piloto, mas menos cara que um sistema de controle pneumático.

Válvula redutora de pressão auto-acionada operada por piloto

Descrição Estas têm um design auto-acionado mais complexo, e operam sensurando a pressão a jusante através de uma válvula piloto, que por sua vez opera a válvula principal. O efeito é uma banda proporcional muito estreita, tipicamente inferior a 200 kPa. Isso, junto com baixa histerese, resulta em controle muito preciso e repetitivo de pressão, mesmo com vazões amplamente variáveis. Vantagens:

• Controle de pressão preciso e consistente, mesmo em altas e variáveis vazões.
• Uma variedade de válvulas piloto pode ser usada em uma válvula principal. As opções de válvula piloto incluem override elétrico, multi-piloto para uma escolha de pressões de controle, uma opção de sobra e controle remoto, bem como diferentes combinações de controle de temperatura/pressão.
• Princípio auto-acionado significa que nenhuma energia externa é necessária.
• Tolerante a pressões variáveis a montante. Desvantagens:
• Mais cara que controles de operação direta operados por fole.
• Pequenas folgas significam que o vapor deve ser limpo e seco para garantir longevidade, mas isso pode ser achieved instalando um filtro e separador antes da válvula redutora de pressão. Aplicação:
• Um sistema que requer controle de pressão preciso e consistente, e instalações que têm vazões variáveis e médias. Por exemplo: autoclaves, plantas de alta classificação como trocadores de calor e calorificadores.
• Um sistema onde o espaço de instalação é limitado. Pontos a observar:

1. ****A instalação deve incluir um filtro e separador.
2. Tamanho por tamanho, válvulas operadas por piloto são mais caras que controles auto-acionados tipo fole, mas mais baratas que controles auto-acionados tipo diafragma.
3. Tamanho por tamanho, têm maior capacidade que controles auto-acionados tipo fole, mas menos que controles auto-acionados tipo diafragma.
4. Podem ser instaladas antes de válvulas de controle de temperatura para manter uma pressão constante a montante, e assim estabilizar o controle.
5. Não adequadas para aplicações com líquidos.
6. Não usar se a planta estiver sujeita a vibração, ou se outros equipamentos estiverem causando pulsos no fluxo.

Redução de pressão – pneumática

Descrição Esses sistemas de controle podem incluir:

• Funções P + I + D para melhorar a precisão sob condições de carga variáveis.
• Ponto(s) de ajuste, que podem ser ajustados remotamente. Vantagens:
• Muito preciso e flexível.
• Sem limite no tamanho da válvula dentro dos limites da faixa de válvulas.
• Faixa de turndown de fluxo aceitável de 50:1 (tipicamente para uma válvula globo de controle).
• Adequado para ambientes perigosos.
• Nenhuma alimentação elétrica necessária.
• Operação rápida significa que respondem bem a mudanças rápidas na demanda.
• Atuação muito poderosa, sendo capaz de lidar com altas pressões diferenciais através da válvula. Desvantagens:
• Mais caro que controles auto-acionados.
• Mais complexo que controles auto-acionados.
• Não diretamente programável. Aplicação: Um sistema que requer controle de pressão preciso e consistente, e instalações que têm vazões variáveis e altas e/ou pressão a montante variável ou alta. Por exemplo: autoclaves, plantas de alta classificação como grandes trocadores de calor e calorificadores. Pontos a observar:

1. Uma fonte de ar limpo e seco é necessária.
2. Uma força de trabalho qualificada é necessária para instalar o equipamento, e pessoal de instrumentação é necessário para calibração e comissionamento.
3. O controle é ‘autônomo’, e não pode se comunicar com PLCs (Controladores Lógicos Programáveis).
4. O modo de falha pode ser importante. Por exemplo, uma mola para fechar em falha de ar é normal em sistemas de vapor.

Redução de pressão – eletropneumática

Descrição Esses sistemas de controle podem incluir:

• Funções P + I + D para melhorar a precisão sob condições de carga variáveis.
• Ponto(s) de ajuste que podem ser ajustados remotamente, com a possibilidade de ramps entre pontos de ajuste. Vantagens:
• Muito preciso e flexível.
• Ajuste remoto e leitura.
• Sem limite no tamanho da válvula dentro dos limites da faixa de válvulas.
• Faixa de turndown de fluxo aceitável de 50:1 (tipicamente para uma válvula globo de controle).
• Operação rápida – resposta rápida a mudanças na demanda.
• Atuação muito poderosa, sendo capaz de lidar com altas pressões diferenciais através da válvula. Desvantagens:
• Mais caro que controles auto-acionados ou pneumáticos.
• Mais complexo que controles auto-acionados ou pneumáticos.
• Sinal de controle elétrico necessário. Custoso para áreas perigosas. Aplicação: Um sistema que requer controle de pressão preciso e consistente, e instalações que têm vazões variáveis e altas e/ou pressão a montante variável ou alta, incluindo autoclaves, plantas de alta classificação como grandes trocadores de calor e calorificadores, e estações redutoras de pressão da planta principal. Pontos a observar:

1. Uma fonte de ar limpo e seco é necessária.
2. Uma força de trabalho qualificada é necessária para instalar o equipamento, e pessoal de instrumentação é necessário para calibração e comissionamento.
3. Pode fazer parte de um sistema de controle sofisticado envolvendo PLCs, registradores gráficos e sistemas SCADA.
4. Sempre considere o modo de falha; por exemplo, mola para fechar em falha de ar é normal em sistemas de vapor.

Redução de pressão – elétrica

Descrição Esses sistemas de controle podem incluir:

• Funções P + I + D para melhorar a precisão sob condições de carga variáveis.
• Ponto(s) de ajuste, que podem ser ajustados remotamente. Vantagens:
• Tanto o controlador quanto o atuador da válvula podem se comunicar com um PLC.
• Nenhuma fonte de ar comprimido necessária. Desvantagens:
• Se um atuador de retorno por mola for necessário, a pressão de fechamento disponível pode ser limitada.
• Velocidade de atuação relativamente lenta, portanto adequada apenas para aplicações onde a carga muda lentamente. Aplicação:
• Sistemas de abertura lenta/aquecimento com um controlador de rampa e permanência.
• Controle de pressão de grandes autoclaves.
• Redução de pressão fornecendo grandes sistemas de distribuição de vapor. Pontos a observar:

1. Segurança: Se a energia elétrica for perdida, a posição da válvula não pode mudar a menos que um atuador de retorno por mola seja usado.
2. Atuadores de retorno por mola são caros e volumosos, com capacidade de fechamento limitada.

Redução de pressão (outras possibilidades) – Estações redutoras de pressão paralelas

Descrição As estações redutoras de pressão podem ser configuradas conforme mostrado abaixo por uma de duas razões:

1. As válvulas estão atendendo uma aplicação crítica para a qual o tempo de inatividade é inaceitável. O equipamento é operado em base de ‘um em operação, um em espera’ para cobrir situações de falha e manutenção.
2. A taxa de turndown entre as vazões máxima e mínima é muito alta. O equipamento é operado em um princípio de sequência de pressão com uma válvula ajustada na pressão ideal a jusante, e a outra em uma pressão ligeiramente menor. Quando a demanda está no máximo, ambas as válvulas operam; quando o fluxo é reduzido, a válvula ajustada na pressão mais baixa desliga primeiro, deixando a segunda válvula para controlar. Pontos a observar: As válvulas selecionadas para este tipo de aplicação requererão bandas proporcional estreitas (como válvulas redutoras de pressão operadas por piloto ou sistemas de controle eletropneumáticos) para evitar que a pressão a jusante caia demais em altas taxas de fluxo.

Redução de pressão (outras possibilidades) – Estações redutoras de pressão em série

Uma estação redutora de pressão pode ser configurada desta maneira se a razão entre as pressões a montante e a jusante for muito alta, e os sistemas de controle selecionados tiverem uma baixa capacidade de turndown. 10:1 é recomendado como uma razão de pressão máxima prática para este tipo de válvula redutora. Considere a necessidade de reduzir a pressão de 25 bar g para 1 bar g. A válvula redutora primária pode reduzir a pressão de 25 bar g para 5 bar g, o que constitui uma razão de pressão de 5:1. A válvula redutora secundária reduziria a pressão de 5 bar g para 1 bar g, também 5:1. Ambas as válvulas em série fornecem uma razão de pressão de 25:1. É importante verificar a razão de turndown de pressão admissível na válvula redutora selecionada; esta pode ser 10:1 em uma válvula auto-acionada, mas pode ser muito maior em válvulas operadas elétrica ou pneumaticamente. Esteja ciente de que altas quedas de pressão podem ter tendência a criar altos níveis de ruído. Consulte o Módulo 6.4 para mais detalhes. O ponto de drenagem entre as duas válvulas redutoras (Figura 8.1.8) é para impedir o acúmulo de condensado sob condições sem carga. Se isso não fosse instalado, perdas por radiação causariam condensado a preencher a tubulação de conexão, o que causaria golpe de aríete na próxima vez que a carga aumentasse.

Desuperaquecedores

O desuperaquecimento é o processo pelo qual o vapor superaquecido é restaurado ao seu estado saturado, ou sua temperatura superaquecida é reduzida. Uma cobertura adicional dos desuperaquecedores é dada no Bloco 15. O sistema na Figura 8.1.9 ilustra um arranjo de uma estação redutora de pressão com um desuperaquecedor de tubulação de contato direto. Em sua forma básica, água de boa qualidade (tipicamente condensado) é direcionada para o fluxo de vapor superaquecido, removendo calor do vapor, causando uma queda na temperatura do vapor.

É impraticável reduzir a temperatura do vapor ao seu valor saturado, pois o sistema de controle é incapaz de diferenciar entre vapor saturado e vapor úmido na mesma temperatura.

Por causa disso, a temperatura é sempre controlada em um valor superior à temperatura de saturação relevante, geralmente entre 5°C e 10°C acima da saturação. Para a maioria das aplicações, o sistema básico mostrado na Figura 8.1.9 funcionará bem. Como a pressão a jusante é mantida em um valor constante pelo laço de controle de pressão, o valor ajustado no controlador de temperatura não precisa variar; simplesmente precisa ser definido em uma temperatura ligeiramente acima da temperatura de saturação correspondente. No entanto, às vezes um sistema de controle mais complexo é necessário, e é mostrado na Figura 8.1.10. Se houver uma mudança transitória na pressão de suprimento de vapor superaquecido, ou uma mudança na temperatura da água de suprimento, a razão necessária de fluxo água/vapor também precisará mudar. Uma mudança na razão de fluxo água/vapor também será necessária se a pressão a jusante mudar, como é às vezes o caso com certos processos industriais. The system shown in Figure 8.1.10 works by having the pressure controller set at the required downstream pressure and operating the steam pressure control valve accordingly. The 4-20 mA signal from the pressure transmitter is relayed to the pressure controller and the saturation temperature computer, from which the computer continuously calculates the saturation temperature for the downstream pressure, and transmits a 4-20 mA output signal to the temperature controller in relation to this temperature. The temperature controller is configured to accept the 4-20 mA signal from the computer to determine its set point at 5°C to 10°C above saturation. In this way, if the downstream pressure varies due to any of the reasons mentioned above, the temperature set point will also automatically vary. This will maintain the correct water/steam ratio under all load or downstream pressure conditions.

Controlando pressão para controlar temperatura

Descrição Estas são aplicações que utilizam a relação previsível entre a pressão do vapor saturado e sua temperatura. Vantagens:

• O sensor de pressão pode ser localizado no espaço de vapor, ou próximo à válvula de controle em vez de no meio do processo em si. Isso é uma vantagem onde é difícil medir a temperatura do processo.
• Este arranjo pode ser usado para controlar uma série de diferentes elementos a partir de um único ponto. Desvantagem:
• O controle é ‘malha aberta’, pois o sensor não está medindo a temperatura real do produto. Aplicações:
• Autoclaves e esterilizadoras
• Prensas e calandras
• Plantas de pressão constante, por exemplo, panelas camiseta, aquecedores unitários e tubos com camiseta de vapor. Pontos a observar:
• Boa ventilação de ar é essencial (consulte o Módulo 11.12 para mais detalhes)

Controle de pressão diferencial

Descrição Nestas aplicações a válvula de controle abrirá e fechará para manter uma pressão diferencial ajustada entre dois pontos. Vantagens:

• Uma pressão diferencial de vapor constante é mantida no sistema.
• A pressão diferencial garante que o condensado seja ativamente purgado do sistema de troca de calor. Isso é particularmente importante onde o condensado acumulado poderia atuar como uma barreira térmica, e criar um gradiente de temperatura através da superfície de transferência de calor. Este gradiente de temperatura poderia, por sua vez, resultar em um produto distorcido ou mal aquecido.
• Diferentes temperaturas de operação podem ser achieved. Desvantagem:
• Um sistema complexo é necessário se a eficiência deve ser mantida. Isso pode envolver vasos de flash e/ou termocompressores, bem como aplicações a jusante que usam o vapor de passagem de menor pressão. Aplicação:
• Rolos de secagem por sopro em uma fábrica de papel. Pontos a observar: ****Um controlador especial ou transmissor de pressão diferencial é necessário para aceitar duas entradas; uma do fornecimento primário de vapor e outra do vaso de flash. Desta forma, a diferença de pressão entre o vaso de flash e o fornecimento primário de vapor é mantida sob todas as condições de carga.

Controle de sobra

Descrição O objetivo é manter a pressão a montante da válvula de controle. As válvulas de sobra são discutidas em mais detalhes no Módulo 7.3, ‘Controles de pressão auto-acionados e aplicações’. Aplicação:

• Caldeiras em plantas onde a carga pode mudar em grande proporção em um período muito curto. A redução súbita da pressão da caldeira pode resultar em turbulência aumentada e flash rápido da água da caldeira, e grandes quantidades de água sendo arrastadas para o sistema de tubulação.
• Acumuladores onde a saída excedente da caldeira é usada para aquecer uma massa de água sob pressão. Esta energia armazenada é então liberada quando a caldeira tem capacidade insuficiente. Pontos a observar:

1. Queda de pressão mínima é geralmente necessária sobre a válvula de controle totalmente aberta; isso pode significar que uma válvula de ‘tamanho de linha’ é necessária.
2. Nem todos os controles auto-acionados são adequados para esta aplicação e é importante consultar o fabricante antes do uso.

Controle em cascata – Limitando pressão e temperatura com uma válvula

Descrição Onde é necessário controlar duas variáveis com uma válvula, é necessário empregar dois controladores e sensores separados. É sempre o caso de que a válvula de controle aceita seu sinal de controle do controlador escravo. O controlador escravo é configurado para aceitar dois sinais de entrada, e seu ponto de ajuste mudará (dentro de limites definidos) dependendo do sinal de saída elétrico do controlador mestre. Esta forma de controle é muito importante onde a pressão para o aparelho deve ser limitada, apesar da demanda de calor. Aplicação: O trocador de calor de placas aquecido por vapor mostrado na Figura 8.1.19 está aquecendo água circulando em um sistema secundário. O trocador de calor tem uma pressão máxima de trabalho, consequentemente isto é limitado a este valor no controlador escravo. Para controlar a temperatura da água secundária, um controlador mestre e transmissor de temperatura monitoram a temperatura de saída do trocador de calor e enviam um sinal de 4-20 mA para o controlador escravo, que é usado para variar o ponto de ajuste do escravo, entre limites predeterminados. Pontos a observar:

1. Uma margem de pressão adequada deve existir entre a pressão ajustada da válvula de segurança e a limitação de pressão imposta pelo controlador.
2. A válvula de segurança não deve ser usada como um dispositivo para limitar a pressão no trocador de calor; deve ser usada apenas como um dispositivo de segurança.

Controle em cascata – Redução de pressão combinada e sobra com uma válvula

Descrição O objetivo é reduzir a pressão do vapor, mas não à custa de sobrecarregar a capacidade de suprimento disponível. Aplicação: A tubulação a montante é um tubo de distribuição de alta pressão, possivelmente de um manifold de distribuição ou caldeira de vapor, fornecendo planta de natureza não essencial (Figura 8.1.20). Se a demanda for maior que a capacidade de suprimento, a válvula fecha e estrangula o fluxo de vapor, mantendo a pressão na tubulação a montante. O controlador mestre é ajustado na pressão normal esperada de suprimento. Se o mestre detectar uma queda na pressão a montante abaixo de seu valor ajustado (devido a um aumento na demanda), ele reduz o ponto de ajuste no controlador escravo, em proporção a limites predeterminados. O escravo fecha a válvula até que a demanda de vapor caia para permitir que a pressão a montante se restabeleça ao valor necessário. Quando isso é achieved, o ponto de ajuste do controlador escravo é definido em seu valor original. Typical settings The output from the master controller is direct acting, that is, when the upstream pressure is at or above its proportional band, the master’s output signal is maximum at 20 mA; when at the bottom of, or below the proportional band, the control signal is minimum at 4 mA. When the control signal is 20 mA, the slave set point is the required downstream pressure; when the signal is 4 mA, the slave set point is at a pre-determined minimum. Consider the ‘normal’ upstream pressure to be 10 bar g, and the maximum allowable downstream pressure to be 5 bar g. The minimum allowable upstream pressure is 8.5 bar g, which means that if this pressure is reached the valve is fully shut. The minimum reduced pressure is set at 4.6 bar g. These conditions are recorded in Table 8.1.1

Cascade control –​ Limiting and controlling temperature with one valve

Descrição O objetivo principal é limitar e regular a temperatura para um processo particular, onde o vapor é a fonte de calor disponível, mas não pode ser usado diretamente para aquecer o produto final por razões operacionais. Aplicação: Uma aplicação típica é um pasteurizador de creme de laticínio que requer uma temperatura de pasteurização de 50°C. Devido à baixa temperatura de controle, se o vapor fosse aplicado diretamente ao trocador de calor de pasteurização, é possível que a quantidade relativamente grande de calor no vapor tornasse o controle difícil, causando as temperaturas do sistema a oscilar, superaquecendo e estragando o creme. Para superar este problema, o sistema na Figura 8.1.21 mostra dois trocadores de calor. O pasteurizador é aquecido por água quente fornecida pelo trocador de calor primário aquecido por vapor. No entanto, mesmo com este arranjo, se apenas o controlador mestre operasse a válvula, um atraso de tempo seria introduzido no sistema, e um controle deficiente poderia novamente ser o resultado. Dois controladores são portanto usados, trabalhando em cascata, cada um recebendo um sinal de 4-20 mA de seus respectivos transmissores de temperatura. O controlador escravo é usado para controlar a temperatura final do produto dentro de limites claramente definidos (talvez entre 49°C e 51°C). Estes valores são alterados pelo controlador mestre em relação à temperatura do produto de modo que, se a temperatura do produto aumentar, o ponto de ajuste do escravo reduz proporcionalmente.