Embora a instrumentação digital e os sistemas de controle de processos tenham apresentado significativas melhorias ao longo dos anos, é importante ressaltar que os fluidos de processo são, em última instância, controlados por componentes mecânicos. Nesse contexto, a válvula de controle desempenha o papel de elemento final em um loop de controle de processo, exercendo influência sobre variáveis do processo, tais como pressão, temperatura e vazão. Essas válvulas são projetadas para operar de forma contínua, modulando sua abertura e fechamento em resposta a um sinal de comando variável proveniente do sistema de controle.
Devido a esse controle contínuo, as válvulas de controle estão sujeitas a desgastes mais rigorosos quando comparadas a válvulas liga/desliga ou válvulas de isolamento, que possuem diferentes características de projeto. Em teoria, qualquer combinação de válvula, atuador e posicionador pode ajustar sua posição em resposta a um sinal de controle, afetando assim o fluxo do fluido no processo.
Ao selecionar uma válvula de controle adequada, é essencial levar em conta diversos fatores técnicos, como o ciclo de trabalho da válvula, a velocidade de movimento do atuador, a sensibilidade do posicionador, a resolução do sistema de controle, o ganho instalado e a eficiência energética. A escolha inadequada de uma válvula de controle pode resultar em problemas como instabilidade no loop de controle do processo, variabilidade indesejada nas variáveis do processo, desgaste excessivo da válvula e, em casos mais graves, falhas catastróficas que comprometem a integridade e segurança do sistema como um todo. Portanto, é crucial uma análise minuciosa e criteriosa para garantir que a válvula de controle selecionada atenda aos requisitos específicos da aplicação e proporcione um controle preciso e confiável do processo.
ACIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE
O acionamento da válvula de controle é um processo crucial que envolve a seleção adequada e o dimensionamento apropriado com base no tipo de válvula utilizada. Geralmente, o fornecedor realiza um cálculo pneumático levando em consideração os requisitos específicos da válvula e a pressão mínima disponível de ar.
A fim de garantir a segurança operacional, é comum incluir um fator de segurança de até 50%, levando em conta as características do serviço e a probabilidade de movimentos restritos ou condições adversas.
O posicionador da válvula é um dispositivo crucial dentro de um sistema de controle de processos, pois tem a responsabilidade de ajustar e controlar a posição da válvula de acordo com os comandos recebidos do sistema de controle. Essa função é essencial para garantir o correto deslocamento da válvula conforme necessidade de processo.
Quando o posicionador recebe o sinal de comando proveniente do controlador de processo, ele atua regulando o fluxo de ar complimido(no caso de atuador pneumático), dessa forma o atuador desloca a válvula para posição desejada que, por sua vez, é responsável por regular o fluxo do fluido. O posicionador pode ser equipado com diferentes tecnologias, como pneumática, eletrônica ou eletro-hidráulica, dependendo do tipo de aplicação e dos requisitos específicos do processo.
A escolha do posicionador adequado é um passo crítico na concepção do sistema de controle. Ele deve ser selecionado considerando-se vários fatores técnicos e operacionais. Um dos principais aspectos é o tipo de sinal de entrada utilizado, que pode ser analógico, digital ou até mesmo uma combinação de ambos. O posicionador precisa ser compatível com o sistema de controle em que será integrado, garantindo uma comunicação precisa e confiável.
Além disso, a funcionalidade de diagnóstico do posicionador é um aspecto importante a ser considerado. Posicionadores avançados podem fornecer informações detalhadas sobre o desempenho da válvula e do atuador, permitindo que os operadores monitorem e identifiquem possíveis problemas antes que eles se tornem críticos. Essas informações podem ser valiosas para manutenção preventiva, reduzindo o tempo de parada do processo e aumentando a eficiência operacional.
Outro fator relevante na seleção do posicionador é o tempo de resposta. Em algumas aplicações, a rapidez na abertura ou fechamento da válvula é essencial para o controle preciso do processo. Portanto, posicionadores com tempos de resposta mais rápidos podem ser necessários em determinadas situações.
Além disso, a compatibilidade com o ambiente de operação também deve ser considerada. Em condições extremas, como alta temperatura, alta pressão ou presença de produtos químicos corrosivos, é essencial que o posicionador seja construído com materiais adequados e resistentes para garantir sua durabilidade e desempenho confiável ao longo do tempo.
Em resumo, o posicionador da válvula é uma peça-chave para garantir a eficiência e o controle preciso dos processos industriais. Sua seleção adequada, levando em conta o tipo de sinal de entrada, funcionalidades de diagnóstico, tempo de resposta e compatibilidade ambiental, é fundamental para o sucesso do sistema de controle e para a otimização das operações industriais.
Em aplicações em que a precisão da posição da válvula e o tempo de resposta são críticos, é comum optar por posicionadores de alta performance. Esses dispositivos proporcionam um controle mais preciso e rápido, adequado para processos exigentes.
Além disso, para obter maior confiabilidade e funcionalidade, podem ser adicionados instrumentos complementares, como chaves de limite, válvulas de comutação e solenoides. Esses componentes permitem obter feedback sobre o desempenho da válvula ou possibilitam a implementação de um modo de falha seguro em caso de problemas operacionais.
A correta seleção e configuração do acionamento da válvula de controle são essenciais para garantir a eficiência e a segurança do processo, assegurando que a válvula opere dentro dos parâmetros desejados e atenda aos requisitos específicos de controle. Engenheiros e profissionais especializados em automação e controle de processos desempenham um papel crucial na escolha e implementação do posicionador ideal para cada aplicação específica.
GERENCIAMENTO DA TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA
A lei de conservação de energia nos ensina que a energia não pode ser criada ou destruída, mas pode ser transformada ou transferida de uma forma para outra. Quando um fluido se move através de uma válvula de controle, a energia do fluido é convertida de uma forma para outra.
Imagine que o fluido contém duas formas de energia: uma é chamada de energia potencial, que está relacionada com a pressão e a temperatura, e a outra é chamada de energia cinética, que está relacionada com o movimento.
Quando o fluido passa pela válvula de controle, a energia potencial diminui porque a pressão é reduzida, e a energia cinética aumenta porque o fluido ganha mais velocidade. Além disso, parte da energia é usada para causar vibração no fluido e até mesmo para fazer com que ele mude de fase.
Para garantir que a transformação de energia no sistema seja realizada de forma adequada e controlada, é fundamental escolher cuidadosamente a válvula de controle adequada. Os componentes internos da válvula devem ser projetados com precisão, levando em consideração o formato e os materiais corretos para gerenciar essa transformação de energia de maneira eficiente.
Uma válvula de controle bem selecionada e projetada garantirá que o fluxo do fluido seja controlado de forma precisa e segura. Isso significa que a válvula deve ser capaz de ajustar a vazão do fluido de acordo com os comandos recebidos, evitando tanto um fluxo excessivo quanto insuficiente. Dessa forma, é possível evitar situações como ruídos altos e vibrações indesejadas que possam prejudicar o desempenho do sistema e até mesmo causar danos a componentes.
Outro aspecto crítico é o gerenciamento das mudanças de fase do fluido. Algumas aplicações podem exigir que o fluido passe por uma mudança de estado, como de líquido para vapor, por exemplo. A válvula de controle precisa ser capaz de controlar esse processo de forma suave e gradual, evitando qualquer instabilidade ou oscilação que possa impactar negativamente o desempenho do sistema.
Além disso, é importante considerar a compatibilidade dos materiais da válvula com o fluido em questão. Alguns fluidos podem ser corrosivos ou agressivos e, portanto, é essencial escolher materiais resistentes que garantam a durabilidade da válvula e evitem falhas prematuras.
Em resumo, a escolha cuidadosa da válvula de controle e a precisão na concepção dos seus componentes internos são essenciais para o gerenciamento adequado da transformação de energia. Uma válvula bem selecionada e projetada garantirá um funcionamento eficiente, seguro e confiável do sistema, resultando em processos industriais mais eficazes e com menor incidência de problemas operacionais. Isso é crucial para a produtividade e segurança das operações industriais como um todo.
GERENCIAMENTO DE FLUIDOS COMPRESSÍVEIS LIMPOS E SUJOS
No caso de sistemas que lidam com fluidos compressíveis aerodinâmicos e sofrem uma alta queda de pressão ao passar por uma válvula de controle, podem ocorrer problemas relacionados ao ruído e vibração. Esse fenômeno é conhecido como ruído aerodinâmico, e pode causar fadiga em componentes metálicos, como hastes de válvulas, suportes de atuadores e ferragens de montagem acessórias. Além disso, níveis de ruído excessivos podem exigir o uso de Equipamentos de Proteção Individual (EPI), como protetores auriculares, para atender aos requisitos de segurança e saúde ocupacional.
Para evitar ou mitigar o ruído aerodinâmico, é fundamental adotar técnicas de controle de fonte de ruído, como a tecnologia de “orifício perfurado”. Essa tecnologia envolve a utilização de aberturas múltiplas em paralelo, em vez de uma única abertura, para o fluxo de fluido passar pelo conjunto de vedação da válvula (Figura 1). Ao aumentar o número de aberturas em cada estágio, o ruído é reduzido aproximadamente em 3 dBA. Esse método de divisão de fluxo é eficaz porque as aberturas menores deslocam o ruído para frequências mais altas. Frequências mais altas são melhor atenuadas pela parede do tubo e também pelo ouvido humano, que tem maior sensibilidade para frequências mais baixas.
É importante ressaltar que, além do controle de ruído aerodinâmico, o gerenciamento adequado das mudanças de pressão também pode contribuir para a redução de vibrações indesejadas. A prática de dividir a queda de pressão em vários estágios, em vez de concentrá-la em um único estágio, pode reduzir a quantidade de vibração gerada pelo fluido. Cada estágio absorve apenas uma parte da queda de pressão total, o que resulta em menos vibração. A soma das vibrações de todos os estágios é menor do que a vibração de um único estágio, tornando esse método eficaz na mitigação de problemas causados pela vibração excessiva.
Dessa forma, o gerenciamento adequado de fluidos compressíveis limpos e sujos em sistemas industriais que utilizam válvulas de controle é crucial para garantir o desempenho eficiente e seguro do processo. Ao adotar técnicas como a tecnologia de “orifício perfurado” e o escalonamento da queda de pressão, é possível minimizar o ruído aerodinâmico e reduzir a vibração indesejada, proporcionando um ambiente de trabalho mais seguro e melhorando a vida útil dos componentes do sistema. Engenheiros e profissionais especializados em automação e controle de processos desempenham um papel crucial na seleção e aplicação dessas técnicas para otimizar o funcionamento dos sistemas industriais.
No caso de uma queda de alta pressão com um fluido compressível sujo, o método típico de orifícios perfurados poderia potencialmente entupir, tornando o escalonamento da queda de pressão o único método de controle de fonte do ruído aerodinâmico. Conforme mencionado anteriormente, no escalonamento da queda de pressão, em vez de ocorrer em uma única etapa, a queda de pressão é dividida em várias etapas (Figura 3). Quando a queda de pressão é feita em várias etapas, os picos de velocidade individuais são menores do que o pico de velocidade que ocorreria com uma queda de pressão em uma única etapa. Devido à forte relação entre ruído e velocidade, pequenas reduções na velocidade podem ter um grande efeito na redução do ruído. Para fluidos sujos, é mais comum um design de fluxo axial. O fluxo passa pela válvula, fazendo várias curvas em torno das múltiplas etapas no obturador. Como esse design não incorpora pequenos orifícios, as partículas podem passar sem obstáculos. Geralmente, é necessário que as etapas aumentem em uma área transversal à medida que o volume do fluxo aumenta com cada queda de pressão (Figura 4).
O escalonamento da queda de pressão pode ser obtido por meio de vários métodos. Para fluidos limpos, o padrão típico de fluxo radial pode ser mantido com múltiplas gaiolas concêntricas de orifícios perfurados. Para aplicações com grandes taxas de fluxo de massa e altas pressões diferenciais, os designs de corte de orifícios perfurados não fornecem mais uma solução adequada. Níveis mais altos de redução de ruído podem ser obtidos por meio de designs de placas empilhadas que incorporam uma combinação de perdas de mudança de direção do fluido e áreas de contração/expansão na pilha. Os caminhos do fluido podem ser de um único plano ou multiplanar e usar até 36 etapas, dependendo do fabricante (Figura 5). O corte a laser de placas oferece um grande grau de flexibilidade de design para requisitos de escalonamento e coeficiente de vazão (Cv), além de ser um meio de usinagem economicamente viável para a criação dos recortes e entalhes que formam os canais de fluxo necessários (Figura 6).
GERENCIAMENTO DE FLUIDOS NÃO COMPRESSÍVEIS LIMPOS E SUJOS
Para fluidos não compressíveis, se a queda de pressão representa uma alta porcentagem da pressão de entrada, ou se a pressão de saída está próxima ou abaixo da pressão de vapor, existe o potencial de o fluido passar por uma mudança de fase. As mudanças de fase incluem cavitação e flash. Mudanças de fase do fluido podem causar danos significativos aos componentes internos da válvula de controle e ao encanamento a jusante, resultando em um tempo reduzido entre intervalos de manutenção e possíveis falhas catastróficas.
Na cavitação, ocorre um fenômeno onde a pressão do fluido cai muito abaixo da pressão de vapor, causando a transformação do líquido em gás. Quando a pressão se recupera novamente, o gás volta a se condensar em líquido. Esse processo pode formar bolhas no fluido, que, ao colapsarem, liberam uma quantidade considerável de energia.
Essas bolhas colapsadas podem ser extremamente prejudiciais caso entrem em contato com as superfícies internas da válvula ou do encanamento. Elas podem causar danos significativos ao desgastar e corroer as superfícies, diminuindo a eficiência e a vida útil da válvula e do sistema em geral.
Portanto, é crucial evitar a cavitação ou minimizar seus efeitos negativos. A seleção adequada da válvula de controle e o projeto de seus componentes internos são essenciais para lidar com esse fenômeno. Através de uma abordagem cuidadosa, podemos garantir o bom funcionamento do sistema e a segurança operacional a longo prazo.
Assim como na redução de ruído aerodinâmico, o controle da cavitação em fluidos limpos é frequentemente alcançado utilizando a tecnologia de “divisão do fluxo”. Nesse método, o fluido é direcionado através de múltiplos caminhos de fluxo discretos, conhecidos como “caminhos de fluxo paralelos”, em vez de passar por um único orifício. Cada caminho de fluxo é projetado com áreas restritas que causam uma redução gradual na pressão à medida que o fluido passa por eles. Essas áreas restritas são cuidadosamente dimensionadas para limitar o tamanho das bolhas de cavitação formadas.
Quando o fluido passa por essas áreas restritas, ocorre uma mudança gradual na pressão, evitando grandes quedas abruptas que poderiam resultar em cavitação prejudicial. Isso controla o processo de formação e colapso das bolhas de cavitação, reduzindo significativamente o risco de danos às superfícies da válvula e outros componentes.
A tecnologia de divisão do fluxo é especialmente eficaz em evitar a formação de bolhas de cavitação de grande porte, uma vez que a redução gradual na pressão limita o crescimento dessas bolhas. Além disso, o controle do tamanho das bolhas também impacta na energia liberada durante o colapso, tornando-o mais gerenciável e minimizando o ruído gerado durante esse processo.
Esse método requer um projeto cuidadoso das áreas restritas e dos caminhos de fluxo paralelos para garantir um controle adequado da cavitação. Engenheiros especializados em controle de válvulas consideram as propriedades específicas do fluido, as condições operacionais e os requisitos de desempenho para projetar válvulas que possam controlar eficientemente a cavitação em fluidos limpos. Com a implementação adequada da tecnologia de divisão do fluxo, é possível garantir a confiabilidade e a longevidade do sistema em aplicações onde a cavitação é uma preocupação.
As bolhas de cavitação menores contêm menos energia e colapsam mais rapidamente do que as bolhas maiores. Ao controlar cuidadosamente a velocidade do fluxo e a direção das bolhas, é possível evitar danos às superfícies da válvula e minimizar o ruído gerado durante o colapso das bolhas. Além disso, múltiplas gaiolas concêntricas podem ser usadas para reduzir ainda mais a queda de energia em estágios subsequentes, proporcionando maior eficiência no controle da cavitação (Figura 8).
Já em fluidos não compressíveis sujos, o controle da cavitação é mais desafiador, pois o uso de pequenos orifícios para limitar a energia das bolhas pode causar problemas com a passagem de partículas sólidas. Nesses casos, uma abordagem diferente é adotada, utilizando uma tecnologia de fluxo axial em várias etapas. Esse método divide o fluxo, recombina, direciona, contrai e expande o fluido, resultando em uma redução gradual da velocidade e da pressão estática em cada etapa.
O objetivo é manter a pressão da linha na última etapa acima da pressão de vapor do fluido, eliminando completamente a cavitação. Com uma abordagem bem projetada, é possível evitar danos aos componentes internos da válvula e ao encanamento, garantindo o funcionamento seguro e eficiente do sistema em fluidos sujos (Figura 10).
Ambas as abordagens de controle de cavitação requerem um projeto cuidadoso e precisam levar em consideração as propriedades específicas do fluido, as condições operacionais e os requisitos de desempenho. Engenheiros e especialistas em controle de válvulas desempenham um papel fundamental na seleção e aplicação adequada dessas tecnologias, garantindo a confiabilidade e a longevidade dos sistemas industriais.
GERENCIANDO A MUDANÇA DE FASE DO FLUIDO
Nas aplicações que envolvem fluidos não compressíveis e cuja pressão de saída é inferior à pressão de vapor, ocorre uma transformação de fase inevitável. Quando o fluido atravessa a restrição, ele muda de estado, passando do estado líquido para o estado gasoso. Esse processo exige energia e, como resultado, reduz a temperatura do fluido, diminuindo a pressão de vapor. No entanto, esse processo de transformação não acontece com todo o fluido de uma só vez. Em vez disso, um equilíbrio é alcançado, resultando em apenas uma porcentagem do fluido passando pela mudança de fase.
Quando a pressão de saída está próxima da pressão de vapor, apenas uma pequena porcentagem do fluido sofre a transformação para o estado gasoso. Nesses casos, o uso de materiais mais resistentes pode ajudar a minimizar danos causados por esse processo. É importante ter em mente que a transformação de fase pode causar problemas significativos, especialmente em casos em que a pressão de saída é consideravelmente menor do que a pressão de vapor.
Para evitar os efeitos prejudiciais da transformação de fase do fluido, é fundamental realizar um gerenciamento adequado. Uma abordagem eficaz consiste em utilizar uma geometria de válvula diferente, como válvulas angulares ou excêntricas, que permitem que o fluido saia diretamente da válvula, sem sofrer curvas bruscas. Dessa forma, evita-se o direcionamento de um fluxo de alta velocidade contra a parede do corpo da válvula, o que reduz o potencial de danos e elimina a possibilidade de que o fluido vaporizado atinja diretamente o encanamento a jusante.
Além disso, é essencial considerar a seleção adequada dos materiais utilizados na fabricação da válvula, optando por materiais mais resistentes que possam lidar com as condições de mudança de fase. Ao adotar essas medidas de gerenciamento, é possível garantir o desempenho confiável e seguro do sistema, mesmo em aplicações críticas sujeitas à transformação de fase do fluido.
Para aplicações mais severas, quando é necessário lidar com fluidos que possuem alta velocidade e podem causar turbulência na saída da válvula, uma opção eficaz é utilizar uma saída Venturi. A saída Venturi é projetada de forma a reduzir a turbulência e direcionar a maior velocidade para o centro do fluxo, o que ajuda a minimizar os efeitos prejudiciais da alta velocidade do fluido na saída da válvula.
Uma das vantagens da saída Venturi é que ela reduz a velocidade ao longo da parte externa do fluxo, o que diminui consideravelmente o potencial de erosão no encanamento. A alta velocidade do fluido em uma saída convencional pode causar desgaste e danos ao encanamento, especialmente em curvas ou cotovelos. No entanto, com o uso da saída Venturi, essa velocidade é redirecionada para o centro do fluxo, minimizando a erosão nas paredes do encanamento.
É importante notar que, para implementar essas técnicas de gerenciamento efetivamente, pode ser necessário ter um trecho significativo de tubulação reta após a válvula. Esse trecho de tubulação serve como uma zona de amortecimento para o fluido de alta velocidade que sai da válvula. Ao proporcionar esse espaço adicional antes de qualquer curva ou cotovelo no encanamento, evita-se que o fluido de alta velocidade impacte diretamente nessas áreas mais sensíveis, reduzindo o risco de erosão e danos.
O uso da saída Venturi e o posicionamento adequado da tubulação reta podem ser estratégias cruciais para garantir a integridade e a durabilidade do sistema em aplicações mais exigentes, onde o impacto do fluido de alta velocidade pode ser mais problemático. Dessa forma, é possível assegurar o bom funcionamento do sistema ao mesmo tempo que se minimizam os efeitos negativos da alta velocidade do fluido na saída da válvula.
O que é saída venturi utiizado em válvula de controle.
A saída Venturi é uma configuração especial utilizada na extremidade da válvula ou em um componente de tubulação para reduzir a turbulência e direcionar o fluxo de fluido de alta velocidade de forma mais eficiente. Ela é projetada com uma forma cônica, onde a seção de passagem do fluido se estreita gradualmente, criando uma área de menor diâmetro no centro. Essa construção faz com que o fluido seja acelerado à medida que passa pela região estreita, aumentando a velocidade do fluxo naquela região central.
Essa característica é particularmente útil em aplicações onde o fluido possui alta velocidade e pode causar turbulência na saída da válvula. Com a saída Venturi, a turbulência é reduzida, e a alta velocidade do fluido é direcionada para o centro do fluxo, minimizando o impacto negativo na região de saída da válvula. Isso ajuda a evitar danos ao encanamento e outros componentes do sistema, especialmente em curvas ou cotovelos.
Além disso, a saída Venturi também proporciona um melhor controle do fluxo, permitindo uma transição mais suave entre a válvula e o encanamento. Isso pode ser especialmente importante em aplicações com fluidos de alta velocidade, onde qualquer turbulência ou instabilidade no fluxo pode afetar negativamente o desempenho do sistema.
O posicionamento adequado da tubulação reta após a válvula também é essencial para garantir o bom funcionamento do sistema. Essa tubulação reta serve como uma zona de amortecimento para o fluido de alta velocidade que sai da válvula, proporcionando uma transição mais suave do fluxo antes que ele atinja curvas ou cotovelos no encanamento. Isso ajuda a evitar impactos diretos do fluido em áreas mais sensíveis do sistema, minimizando o risco de erosão e danos.
Em conjunto, o uso da saída Venturi e o posicionamento adequado da tubulação reta podem ser estratégias cruciais para garantir a integridade e a durabilidade do sistema em aplicações mais exigentes, onde o impacto do fluido de alta velocidade pode ser mais problemático. Essas medidas contribuem para assegurar o bom funcionamento do sistema e minimizar os efeitos negativos da alta velocidade do fluido na saída da válvula.
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