Válvulas de Controle

Este tutorial descreve brevemente os componentes básicos dos diferentes tipos de válvulas de controle de ação linear e rotativa disponíveis para uso em sistemas de vapor e água.

O Bloco 6 do Loop de Vapor e Condensado considera os aspectos práticos do controle, colocando a teoria básica de controle discutida no Bloco 5 em prática.

Um sistema de controle básico normalmente consistiria nos seguintes componentes:

• Válvulas de controle
• Atuadores.
• Controladores.
• Sensores. Todos esses termos são genéricos e cada um pode incluir muitas variações e características. Com o avanço da tecnologia, a linha divisória entre itens individuais de equipamento e suas definições está se tornando menos clara. Por exemplo, o posicionador, que tradicionalmente ajustava a válvula para uma posição particular dentro de seu curso, agora pode:
• Receber entrada diretamente de um sensor e fornecer uma função de controle.
• Interagir com um computador para alterar as funções de controle e realizar rotinas de diagnóstico.
• Modificar os movimentos da válvula para alterar as características da válvula de controle.
• Interagir com sistemas de comunicação digital da planta. No entanto, para fins de clareza neste ponto, cada item de equipamento será considerado separadamente.

Válvulas de Controle

Embora exista uma ampla variedade de tipos de válvulas, este documento se concentrará naquelas mais amplamente usadas no controle automático de vapor e outros fluidos industriais. Essas incluem:

• Tipos de válvulas que têm movimento linear e rotativo do eixo.
• Tipos lineares incluem válvulas globo e válvulas de deslizamento.
• Tipos rotativos incluem válvulas de esfera, válvulas borboleta, válvulas de gaveta e suas variantes. A primeira escolha a ser feita é entre válvulas de duas vias e três vias.
• Válvulas de duas vias ‘estrangulam’ (restringem) o fluido passando por elas.
• Válvulas de três vias podem ser usadas para ‘misturar’ ou ‘desviar’ o líquido passando por elas.

Válvulas de duas vias

Válvulas globo Válvulas globo são frequentemente usadas para aplicações de controle devido à sua adequação para estrangular o fluxo e a facilidade com que podem receber uma ‘característica’ específica, relacionando a abertura da válvula ao fluxo. Dois tipos típicos de válvulas globo são mostrados na Figura 6.1.1. Um atuador acoplado ao eixo da válvula forneceria o movimento da válvula.

Os principais componentes das válvulas globo são:

• O corpo.
• O bujão.
• O assento da válvula e o obturador da válvula, ou trim.
• O eixo da válvula (que se conecta ao atuador).
• O arranjo de vedação entre o eixo da válvula e o bujão. A Figura 6.1.2 é uma representação esquemática de uma válvula globo de duas vias de assento único. Neste caso, o fluxo do fluido está pressionando contra o obturador da válvula e tendendo a manter o obturador afastado do assento da válvula.

A diferença de pressão de montante (P1) e jusante (P2) da válvula, contra a qual a válvula deve fechar, é conhecida como a diferença de pressão (ΔP). A diferença de pressão máxima contra a qual uma válvula pode fechar dependerá do tamanho e tipo da válvula e do atuador que a opera.

De forma geral, a força necessária do atuador pode ser determinada usando a Equação 6.1.1.

Em um sistema de vapor, a diferença de pressão máxima é geralmente assumida como sendo a mesma que a pressão absoluta de montante. Isso permite possíveis condições de vácuo a jusante da válvula quando a válvula fecha. A diferença de pressão em um sistema hidráulico fechado é a altura manométrica máxima da bomba.

Se uma válvula maior, com um orifício maior, for usada para passar maiores volumes do meio, então a força que o atuador deve desenvolver para fechar a válvula também aumentará. Onde grandes volumes devem ser passados usando válvulas grandes, ou onde existem diferenças de pressão muito altas, o ponto será alcançado onde se torna impraticável fornecer força suficiente para fechar uma válvula de assento único convencional. Em tais circunstâncias, a solução tradicional para este problema é a válvula de duas vias de assento duplo. Como o nome implica, a válvula de assento duplo tem dois obturadores em um eixo comum, com dois assentos de válvula. Não só os assentos podem ser mantidos menores (já que existem dois deles) mas também, como pode ser visto na Figura 6.1.3, as forças são parcialmente equilibradas. Isso significa que, embora a diferença de pressão esteja tentando manter o obturador superior afastado de seu assento (como com uma válvula de assento único), ela também está tentando empurrar para baixo e fechar o obturador inferior.

No entanto, um problema potencial existe com qualquer válvula de assento duplo. Devido a tolerâncias de fabricação e diferentes coeficientes de expansão, poucas válvulas de assento duplo podem garantir boa estanqueidade do fechamento.

Estanqueidade do fechamento

O vazamento de válvulas de controle é classificado em relação a quanto a válvula vazará quando totalmente fechada. A taxa de vazamento através de uma válvula de assento duplo padrão é no máximo Classe III, (um vazamento de 0,1% do fluxo total) o que pode ser muito para torná-la inadequada para certas aplicações. Consequentemente, porque os caminhos de fluxo através das duas vias são diferentes, as forças podem não permanecer equilibradas quando a válvula abre. Existem vários padrões internacionais que formalizam as taxas de vazamento em válvulas de controle. As seguintes taxas de vazamento são extraídas do Padrão Britânico BS 5793 Parte 4 (IEC 60534-4). Para uma válvula de assento único padrão não equilibrada, a taxa de vazamento será normalmente Classe IV, (0,01% do fluxo total), embora seja possível obter Classe V, (1,8 x 105 x diferença de pressão (bar) x diâmetro do assento (mm). Geralmente, quanto menor a taxa de vazamento, maior o custo.

Válvulas de assento único equilibradas

Devido ao problema de vazamento associado a válvulas de assento duplo, quando um fechamento apertado é necessário, uma válvula de assento único deve ser especificada. As forças necessárias para fechar uma válvula globo de assento único aumentam consideravelmente com o tamanho da válvula. Algumas válvulas são projetadas com um mecanismo de equilíbrio para reduzir a força de fechamento necessária, especialmente em válvulas operando com grandes diferenças de pressão. Em uma válvula equilibrada por pistão, parte da pressão do fluido de montante é transmitida através de caminhos internos para um espaço acima do obturador da válvula, que atua como uma câmara de equilíbrio de pressão. A pressão contida nesta câmara fornece uma força descendente no obturador da válvula conforme mostrado na Figura 6.1.4, equilibrando a pressão de montante e auxiliando a força normal exercida pelo atuador, para fechar a válvula.

Válvulas de deslizamento, operadas por eixo

As válvulas de deslizamento tendem a vir em dois designs diferentes; tipo cunha e tipo deslizamento paralelo. Ambos os tipos são bem adequados para isolar o fluxo de fluido, pois dão um fechamento apertado e, quando abertas, a queda de pressão através delas é muito pequena. Ambos os tipos são usados como válvulas operadas manualmente, mas se atuação automática for necessária, a válvula de deslizamento paralelo é geralmente escolhida, seja para isolamento ou controle. Válvulas típicas são mostradas na Figura 6.1.5.

A válvula de deslizamento paralelo fecha por meio de dois discos deslizantes carregados por mola (molas não mostradas), que passam através do caminho de fluxo do fluido, a pressão do fluido garantindo uma junção apertada entre o disco de jusante e seu assento. Válvulas de deslizamento paralelo de grande tamanho são usadas em tubulações principais de vapor e linhas de alimentação nas indústrias de energia e processo para isolar seções da planta. Válvulas de deslizamento paralelo de diâmetro pequeno também são usadas para o controle de serviços auxiliares de vapor e água, embora, principalmente devido ao custo, essas tarefas frequentemente sejam realizadas usando válvulas de esfera com atuação e válvulas tipo pistão.

Válvulas tipo rotativo

Válvulas tipo rotativo, frequentemente chamadas de válvulas de quarto de volta, incluem válvulas de gaveta, válvulas de esfera e válvulas borboleta. Todas requerem um movimento rotativo para abrir e fechar, e podem facilmente ser equipadas com atuadores.

Válvulas de gaveta excêntrica

A Figura 6.1.6 mostra uma típica válvula de gaveta excêntrica. Essas válvulas são normalmente instaladas com o eixo da gaveta horizontal conforme mostrado, e o atuador anexado situado ao lado da válvula. Válvulas de gaveta podem incluir articulações entre a gaveta e o atuador para melhorar a alavancagem e a força de fechamento, e posicionadores especiais que modificam a característica inerente da válvula para uma característica de porcentual igual mais útil (características de válvulas são discutidas no Módulo 6.5).

Válvulas de esfera

A Figura 6.1.7 mostra uma válvula de esfera consistindo de uma esfera esférica localizada entre dois anéis de vedação em uma forma de corpo simples. A esfera tem um orifício permitindo que o fluido passe. Quando alinhada com as extremidades do tubo, isso dá fluxo de diâmetro total ou quase total com muito pouca queda de pressão. Girando a esfera em 90° abre e fecha a passagem de fluxo. Válvulas de esfera projetadas especificamente para fins de controle terão esferas ou assentos caracterizados, para dar um padrão de fluxo previsível.

Válvulas de esfera são um meio econômico de fornecer controle com fechamento apertado para muitos fluidos, incluindo vapor a temperaturas de até 250°C (38 bar g, vapor saturado). Acima dessa temperatura, materiais de assento especiais ou assentos metal-metal são necessários, o que pode ser caro. Válvulas de esfera são facilmente acionadas e frequentemente usadas para isolamento remoto e controle. Para aplicações de controle críticas, esferas segmentadas e esferas com orifícios especialmente moldados estão disponíveis para fornecer diferentes características de fluxo.

Válvulas borboleta

A Figura 6.1.8 é um diagrama esquemático simples de uma válvula borboleta, que consiste de um disco girando em mancais de pivô. Na posição aberta o disco é paralelo à parede do tubo, permitindo fluxo total através da válvula. Na posição fechada é girado contra um assento, e perpendicular à parede do tubo.

Tradicionalmente, válvulas borboleta eram limitadas a baixas pressões e temperaturas, devido às limitações inerentes dos assentos macios usados. Atualmente, válvulas com assentos de maior temperatura ou assentos metal-metal de alta qualidade e especialmente usinados estão disponíveis para superar essas desvantagens. Válvulas borboleta padrão são agora usadas em aplicações simples de controle, particularmente em tamanhos maiores e onde uma faixa de operação limitada é necessária.

Válvulas borboleta especiais estão disponíveis para aplicações mais exigentes. Um fluido fluindo através de uma válvula borboleta cria uma queda de pressão baixa, pois a válvula apresenta pouca resistência ao fluxo quando aberta. Em geral, no entanto, seus limites de diferença de pressão são menores que os das válvulas globo. Válvulas de esfera são semelhantes, exceto que, devido aos seus diferentes arranjos de vedação, podem operar contra diferenças de pressão maiores que válvulas borboleta equivalentes.

Opções

Há sempre uma série de opções a considerar ao escolher uma válvula de controle. Para válvulas globo, essas incluem uma escolha de material de gaxeta do eixo e configurações de gaxeta, que são projetadas para tornar a válvula adequada para uso em temperaturas mais altas ou para diferentes fluidos. Alguns exemplos desses podem ser vistos nos diagramas esquemáticos simples na Figura 6.1.9. Vale notar que certos tipos de gaxeta produzem maior atrito com o eixo da válvula do que outros. Por exemplo, o tipo tradicional de gaxeta de caixa de gaxeta criará maior atrito do que o tipo PTFE em chevron carregado por mola ou o tipo vedado por fole. Maior atrito requer uma força de atuador maior e terá uma propensão aumentada para movimentos aleatórios. Gaxetas carregadas por mola se reajustam conforme desgastam. Isso reduz a necessidade de manutenção manual regular. Válvulas vedadas por fole são as mais caras desses três tipos, mas fornecem atrito mínimo com o melhor mecanismo de vedação do eixo. Como pode ser visto na Figura 6.1.9, válvulas vedadas por fole geralmente têm outro conjunto de gaxeta tradicional no topo do alojamento do eixo da válvula. Isso atuará como uma defesa final contra qualquer chance de vazamento através do eixo para a atmosfera.

As válvulas também têm diferentes maneiras de guiar o obturador dentro do corpo. Um método comum de orientação, como retratado na Figura 6.1.10, é o método ‘duplamente guiado’, onde o eixo é guiado tanto no topo quanto na parte inferior de seu comprimento. Outro tipo é o método ‘obturador guiado’ onde o obturador pode ser guiado por uma gaiola ou uma estrutura. Algumas válvulas podem empregar obturadores perfurados, que combinam orientação do obturador e redução de ruído.

Resumo de válvulas de duas vias usadas para controle automático

De longe, o tipo de válvula mais amplamente usado para o controle automático de processos e aplicações de vapor é a válvula globo. É relativamente fácil de atuar, é versátil, e possui características inerentes bem adequadas às necessidades de controle automático do vapor. Deve-se dizer também que válvulas de controle automático de duas vias também são usadas em sistemas de líquidos, como sistemas de água quente de baixa, média e alta temperatura, e sistemas de óleo térmico. Sistemas de líquidos carregam uma necessidade inerente de serem equilibrados em relação a vazões mássicas. Em muitas instâncias, sistemas são projetados onde válvulas de duas vias podem ser usadas sem destruir o equilíbrio das redes de distribuição. No entanto, quando válvulas de duas vias não podem ser usadas em um sistema líquido, válvulas de três vias são instaladas, que inerentemente mantêm um equilíbrio através do sistema de distribuição, atuando de maneira desviadora ou misturadora.

Válvulas de três vias

Válvulas de três vias podem ser usadas tanto para serviço de mistura quanto de desvio dependendo do arranjo de obturador e assento dentro da válvula. Uma definição simples de cada função é mostrada na Figura 6.1.11.

Válvulas de pistão

Este tipo de válvula tem um pistão oco, (Figura 6.1.12), que é movido para cima e para baixo pelo atuador, cobrindo e correspondentemente descobrindo as duas vias A e B. A via A e a via B têm a mesma área total de trânsito de fluido e, a qualquer momento, a área da seção transversal cumulativa de ambas é sempre igual. Por exemplo, se a via A está 30% aberta, a via B está 70% aberta, e vice-versa. Este tipo de válvula é inerentemente equilibrada e é alimentada por um sistema de controle auto-atuante. Nota: A configuração das portas pode variar entre fabricantes.

Válvulas de três vias tipo globo (também chamadas ‘lift and lay’)

Aqui, o atuador empurra um disco ou par de obturadores entre dois assentos (Figura 6.1.13), aumentando ou diminuindo o fluxo através das vias A e B de maneira correspondente.

Nota: Uma característica linear é alcançada perflando a saia do obturador (veja a Figura 6.1.14).

Válvula de três vias com sapata rotativa

Este tipo de válvula emprega uma sapata rotativa, que se desloca através das faces das portas. O arranjo esquemático na Figura 6.1.15 ilustra uma aplicação de mistura com aproximadamente 80% fluindo pela via A e 20% pela via B, 100% saindo pela via AB.

Usando válvulas de três vias

Nem todos os tipos podem ser usados tanto para serviço de mistura quanto de desvio. A Figura 6.1.16 mostra a aplicação incorreta de uma válvula globo fabricada como válvula de mistura, mas usada como válvula de desvio.

O fluido entrando na válvula pela via AB pode sair de qualquer uma das duas vias de saída A ou B, ou uma proporção pode sair de cada. Com a via A aberta e a via B fechada, a diferença de pressão do sistema será aplicada a um lado do obturador.

Quando a via A é fechada, a via B está aberta, e a diferença de pressão será aplicada através do outro lado do obturador. Em alguma posição intermediária do obturador, a diferença de pressão se inverterá. Essa inversão de pressão pode fazer com que o obturador saia de posição, dando controle pobre e possível ruído conforme o obturador ‘chocalha’ contra seu assento. Para superar este problema em uma válvula tipo gaveta projetada para desvio, uma configuração de assento diferente é usada, conforme mostrado na Fig. 6.1.17. Aqui, a diferença de pressão é igualmente aplicada aos mesmos lados de ambos os obturadores em todos os momentos.

Em circuitos fechados, é possível usar válvulas de mistura ou válvulas de desvio, dependendo do design do sistema, conforme retratado nas Figuras 6.1.18 e 6.1.19.

Na Figura 6.1.18, a válvula é projetada como uma válvula de mistura, pois tem duas entradas e uma saída. No entanto, quando colocada na tubulação de retorno da carga, ela na verdade realiza uma função de desvio, pois desvia a água quente do trocador de calor.

Considere a válvula de mistura usada na Figura 6.1.18, quando o trocador de calor está exigindo calor máximo, talvez na partida, a via A estará totalmente aberta, e a via B totalmente fechada. Toda a água passando da caldeira é passada pelo trocador de calor e passa pela válvula pelas vias AB e A. Quando a carga térmica é satisfeita, a via A estará totalmente fechada e a via B totalmente aberta, e toda a água passando da caldeira desvia a carga e passa pela válvula pelas vias AB e B. Nesse sentido, a água está sendo desviada do trocador de calor em relação aos requisitos da carga térmica.

O mesmo efeito pode ser alcançado instalando uma válvula de desvio na tubulação de fluxo, conforme retratado pela Figura 6.1.19.