Atuadores para Válvulas de Controle: Uma Visão Geral
Os atuadores de válvulas de controle são componentes essenciais nos sistemas de automação, fornecendo a força necessária para operar os mecanismos das válvulas. Tanto as válvulas de controle lineares (sliding-stem) quanto as rotativas (rotary) podem ser equipadas com diferentes tipos de atuadores, como pneumáticos, hidráulicos, elétricos e manuais.
Atuadores Pneumáticos
Os atuadores pneumáticos utilizam a pressão do ar para movimentar o mecanismo da válvula, geralmente por meio de um diafragma flexível ou de um pistão. Na imagem abaixo (se aplicável), é possível observar uma válvula de controle em corte transversal com um atuador pneumático de diafragma montado acima do corpo da válvula.
Principais componentes deste sistema incluem:
- Mola helicoidal: Responsável por garantir a posição padrão da válvula, equilibrando a pressão do ar.
- Diafragma de borracha: Localizado na parte superior do atuador, responde às variações de pressão do ar.
Quando o ar pressurizado é aplicado abaixo do diafragma, ele empurra a haste da válvula para cima, vencendo a força da mola, que naturalmente tenta empurrar a haste para baixo. Esse mecanismo possibilita o controle preciso da posição da válvula e, consequentemente, do fluxo do fluido no sistema.
Geração de Força em Atuadores Pneumáticos
A força (F) gerada por um fluido pressionando uma superfície é calculada multiplicando-se a pressão do fluido (P), em libras por polegada quadrada (PSI), pela área da superfície (A), em polegadas quadradas (in²).
Área de um Diafragma Circular
Para superfícies circulares, como o diafragma de um atuador pneumático, a área é calculada pela fórmula da área do círculo:
Aqui, r é o raio do círculo, e π (pi) é aproximadamente igual a 3,1416.
Fórmula Completa para a Força
Substituindo a fórmula da área na relação para a força, temos:
Exemplo Prático
Considere um diafragma de válvula de controle com 14 polegadas de diâmetro. O raio (r) é metade do diâmetro, ou seja, 7 polegadas. Se esse diafragma for submetido a uma pressão de ar de 15 PSI, a força gerada será:
Esse exemplo ilustra como um diafragma submetido a pressão gera força suficiente para acionar o mecanismo de uma válvula de controle de forma precisa e eficiente.
Normalmente, em sistemas que utilizam válvulas de controle, especialmente no contexto técnico e industrial, a força gerada é geralmente expressa em unidades métricas, como Newton (N) ou quilograma-força (kgf), dependendo do sistema de medição utilizado. Neste contexto vou apresentar uma explicação para refletir esse padrão, considerando as unidades mais amplamente empregadas no Brasil e em contextos industriais globais.
Para fazer isso, precisamos primeiro converter a pressão de PSI para Pascal (Pa) e as dimensões de polegadas para metros. Aqui está o passo a passo:
Passo 1: Conversão de unidades
Pressão:
- 1 PSI=6894,76 Pa
- Então, 15 PSI=15×6894,76 Pa=103,421,4 Pa
Raio:
- 7 polegadas=7×0,0254 m=0,1778 m
- Área do diafragma (A):
A fórmula para a área de um círculo é A=πr2
Assim: A=3,1416×(0,1778)2=3,1416×0,0316≈0,0994 m2
Passo 2: Cálculo da força
Agora que temos a pressão em Pascal (Pa) e a área em metros quadrados (m²), podemos calcular a força em Newtons (N) utilizando a fórmula:
F=P×A F=103,421,4 Pa×0,0994 m2=10,289,9 N F = 103,421,4
F=103,421,4Pa×0,0994m2=10,289,9N
Portanto, a força gerada por esse diafragma de válvula é aproximadamente 10.290 Newtons.
Resumo:
- Pressão aplicada: 15 PSI ≈103,421,4 Pa
- Raio do diafragma: 7 polegadas ≈0,1778 m
- Força gerada: 10,290 N.
Apesar de suas diferenças de design e aparência, todos os transdutores I/P possuem o mesmo princípio de funcionamento. Eles aceitam um sinal de corrente contínua analógica (4-20 mA) como entrada, juntamente com uma pressão de ar limpa de cerca de 20 PSI, e produzem como saída um sinal de pressão de ar variável proporcional à corrente elétrica de entrada. Essa característica permite que o transdutor converta comandos elétricos em sinais pneumáticos, viabilizando o controle de válvulas e outros equipamentos pneumáticos.
Um aspecto técnico interessante ao comparar diferentes modelos de transdutores I/P é a robustez relativa de cada um. A maioria dos transdutores, como os modelos Fisher 846 e Foxboro E69F, é projetada para suportar exposição direta a atmosferas de processo, utilizando carcaças robustas de metal fundido e conexões para conduítes elétricos, características que oferecem alta resistência em ambientes industriais adversos. No entanto, o modelo da Moore Industries apresenta um design mais compacto e leve, destinado a locais abrigados. Esse modelo pode ser conectado em um manifold, permitindo a instalação de diversos transdutores I/P em um espaço reduzido para controlar múltiplos atuadores pneumáticos.
Exemplos de transdutores I/P da Emerson incluem:
Fisher i2P-100: Um dispositivo confiável e robusto, amplamente utilizado em aplicações industriais para conversão precisa de sinais. É conhecido por sua durabilidade e desempenho estável.
Fisher 846: Modelo projetado para oferecer alta precisão em aplicações exigentes, sendo versátil para diversas condições de operação.
Fisher DVC6200 (quando equipado com módulo I/P): Um controlador digital versátil que inclui funcionalidade I/P integrada, oferecendo controle avançado e integração com sistemas de automação.
Figura 1: Diversos modelos de transdutores I/P e suas características.
Além disso, alguns atuadores pneumáticos de válvulas são equipados com volantes manuais, que permitem o posicionamento manual da válvula em caso de falha da pressão de ar. Essa funcionalidade é especialmente útil em situações de emergência, onde é necessário ajustar o fluxo manualmente para manter a operação segura ou evitar interrupções críticas. Por exemplo, na fotografia de um atuador de válvula com haste deslizante e diafragma pneumático, é possível observar um volante manual posicionado no topo, destacando essa característica de operação redundante.
Observe as três válvulas manuais localizadas ao redor da válvula de controle: duas para bloquear o fluxo através da válvula de controle e uma para desviar o fluxo, permitindo que o processo continue operando em caso de falha ou necessidade de manutenção da válvula de controle. Essas válvulas manuais são do tipo gaveta, com atuadores de haste ascendente. Esse design é ideal para indicar visualmente o status da válvula: quando a haste está exposta, a válvula está aberta; quando a haste está oculta, a válvula está fechada. Esse tipo de arranjo de bloqueio e desvio é amplamente utilizado nas indústrias de processo, especialmente em sistemas onde as válvulas de controle desempenham papéis críticos. Ele oferece uma alternativa manual em situações de emergência ou manutenção, garantindo maior segurança operacional e continuidade do processo.
Outro ponto importante a ser notado é a presença da tubulação de ar entre o atuador da válvula e o tubo de suprimento de ar, dobrada em formato de laço. Esse elemento é conhecido como loop de vibração. Sua finalidade é reduzir o esforço mecânico na tubulação metálica causado por vibrações provenientes do processo ou do ambiente. Esse detalhe aparentemente simples desempenha um papel importante na preservação da integridade do sistema pneumático, aumentando a durabilidade dos componentes e a confiabilidade operacional.
Além disso, os atuadores pneumáticos podem apresentar diferentes formatos, como pistões ou diafragmas, dependendo das exigências da aplicação. Atuadores de pistão geralmente são utilizados em aplicações que requerem força maior ou curso mais longo, enquanto os atuadores de diafragma são mais comuns em sistemas de controle de fluxo por oferecerem alta precisão e resposta rápida. A ilustração abaixo apresenta os dois tipos para efeito de comparação, destacando suas características principais e aplicações típicas.
Comparação entre Atuadores de Diafragma e Pistão
Os atuadores de pistão geralmente possuem cursos mais longos que os atuadores de diafragma e são capazes de operar com pressões de ar significativamente maiores. A força de um atuador é determinada pela pressão do fluido e pela área do atuador, o que dá aos atuadores de pistão uma vantagem significativa em termos de força gerada. A seguir, detalhamos essa comparação com cálculos práticos:
1. Fórmula Básica
A força (F) gerada por um atuador é dada pela fórmula:
Onde:
F = é a força gerada (em libras);
P = é a pressão aplicada (em PSI);
A = é a área da superfície do atuador (em polegadas quadradas).
2. Exemplo de Atuador de Diafragma
Considere um atuador de diafragma com diâmetro de 14 polegadas, operando a uma pressão de 35 PSI:
Cálculo da área do diafragma (A):
Substituindo d=14 polegadas:
A=3.1416x(14/2)²
A=153.94 pol²
Cálculo da força gerada (F)
3. Exemplo de Atuador de Pistão
Agora, considere um atuador de pistão com o mesmo diâmetro de 14 polegadas, mas operando a uma pressão de 150 PSI:
Cálculo da área do pistão (A)
O cálculo da área é idêntico ao do diafragma, pois o diâmetro é o mesmo:
A=153.94 pol²
Cálculo da força gerada (F)
F=P⋅A=150⋅153.94=23091 libras
4. Análise Comparativa
O atuador de diafragma gera 5388 libras de força.
O atuador de pistão gera 23091 libras de força, aproximadamente 4,3 vezes mais força.
Essa diferença é crucial para aplicações que requerem altas forças, como válvulas de grande porte ou sistemas de alta pressão.
5. Trabalho Mecânico
O trabalho realizado (W) por um atuador é dado por:
W=F⋅d
Onde d é o curso ou deslocamento do atuador. Atuadores de pistão, devido à sua capacidade de operar com maior força e maior deslocamento, têm maior potencial de trabalho em comparação aos de diafragma.
Vantagens Relativas
Atuadores de pistão: Alta força e maior curso, ideais para aplicações pesadas.
Atuadores de diafragma: Menor atrito interno, proporcionando maior precisão no posicionamento da haste.
Entretanto, os atuadores de diafragma apresentam uma vantagem significativa em relação ao atrito, que é consideravelmente menor quando comparado aos atuadores de pistão. Menor atrito resulta em maior precisão no posicionamento da haste da válvula, o que confere aos atuadores de diafragma uma vantagem onde o controle preciso do posicionamento da válvula é fundamental, desde que outros fatores sejam equivalentes.
A seguinte fotografia de uma válvula de oxigênio de altíssima pressão destaca um grande atuador pneumático de pistão acionando um corpo de válvula relativamente pequeno. Essa configuração demonstra a capacidade dos atuadores de pistão de fornecer forças substanciais para aplicações que demandam altos níveis de pressão e potência.
Atuadores Pneumáticos de Pistão para Altas Forças
A escolha de um atuador de pistão de grande porte geralmente está associada à necessidade de gerar uma força de atuação elevada. Isso ocorre, por exemplo, em aplicações onde o corpo da válvula, mesmo sendo pequeno, exige uma força significativa para ser movimentado. Esse requisito é diretamente influenciado pela pressão diferencial (ΔP) exercida pelo fluido no obturador da válvula.
Diferença de Pressão e Força no Obturador
Quando há um grande diferencial de pressão (ΔP) no trim da válvula, mesmo em um obturador de pequeno diâmetro, é gerada uma força significativa que resiste ao movimento da válvula. Essa força é dada pela equação:
F = é a força resultante (em libras ou Newtons),ΔP
P = é a pressão diferencial (em PSI ou Pa),
Aplug = é a área da superfície do obturador (em polegadas quadradas ou metros quadrados).
Força Adicional Necessária para Movimentar a Válvula
Para que o atuador mova a válvula, ele precisa superar essa força gerada pelo diferencial de pressão. Isso significa que o atuador deve ser capaz de fornecer uma força maior do que a resistência do obturador:
Exemplo Prático
Considere uma aplicação em que:
O diâmetro do obturador é 2 polegadas.
O diferencial de pressão no obturador é ΔP=3000 PSI
Cálculo da área do obturador:
Força no obturador causada pelo fluido:
Área mínima do atuador para superar essa força: Para uma pressão de ar comprimido de 100 PSI:
Isso mostra que o pistão do atuador precisa ter uma área muito maior do que a do obturador para gerar força suficiente.
Atuadores com Pistão Duplo
Quando uma única câmara de pistão não é suficiente para gerar a força necessária, utilizam-se atuadores com pistões duplos. Esses dispositivos utilizam duas câmaras de pressão para aumentar ainda mais a área total disponível, permitindo gerar forças consideravelmente maiores com a mesma pressão de ar.
Vantagens de Atuadores com Pistão Duplo:
- Maior capacidade de força em espaços compactos,
- Melhor adequação para válvulas grandes ou aplicações de alta pressão,
- Eficiência mecânica para acionamento de válvulas on/off, como válvulas borboleta.
A principal razão para escolher um atuador de pistão grande é a necessidade de gerar uma força de atuação muito alta. Isso indica que o corpo da válvula, embora relativamente pequeno, precisa de uma força incomum para ser operado. O motivo é uma queda de pressão extremamente alta no fluido do processo através do trim da válvula, que pode atingir milhares de PSI.
Quando essa diferença de pressão elevada ocorre no plugue da válvula, mesmo sendo pequeno, ela gera uma força considerável que resiste à movimentação do obturador. Para superar essa força, o atuador precisa gerar uma força ainda maior para abrir, fechar ou posicionar a válvula. Entretanto, o atuador está limitado pela pressão padrão do ar de instrumentação, que geralmente é de 100 PSI.
A única forma de o atuador superar essa limitação de pressão é aumentando a área do pistão. Isso porque a força gerada por um atuador é proporcional ao produto da pressão do fluido (P) pela área do pistão (A), conforme a fórmula:
F=P×A
Neste caso, para que o atuador gere a força necessária para vencer a resistência da válvula, o pistão é projetado com uma área significativamente maior do que a área do plugue da válvula. Assim, mesmo com uma pressão limitada a 100 PSI, o aumento da área permite multiplicar a força, tornando possível a operação da válvula em condições de alta exigência.
Nesse projeto específico de atuador, um par de pistões acionados pneumaticamente movimenta um mecanismo de cremalheira e pinhão, convertendo o movimento linear dos pistões em movimento rotativo do eixo, que, por sua vez, aciona o trim tipo borboleta da válvula. Esse tipo de mecanismo é amplamente utilizado devido à sua eficiência na conversão de forças lineares em movimento rotativo, especialmente em válvulas de controle rotativas.
Um detalhe importante é o indicador rotativo (na cor amarela) localizado na extremidade do eixo da válvula rotativa. Ele fornece uma indicação visual da posição do disco da válvula borboleta, permitindo a verificação local do estado operacional da válvula (aberta, fechada ou parcialmente aberta).
Outro componente essencial é a caixa de chaves de posição (na cor preta), que abriga múltiplos interruptores de limite. Esses interruptores são usados para enviar sinais remotos indicando a posição da válvula à sala de controle. Isso permite o monitoramento em tempo real e auxilia na operação e automação do sistema.
O mecanismo de cremalheira e pinhão pode ser ilustrado olhando no eixo do movimento rotativo. Nesse sistema:
- A cremalheira (uma barra dentada) é acionada pelos pistões, movendo-se linearmente.
- O pinhão (uma engrenagem circular) engata nos dentes da cremalheira e gira à medida que a cremalheira se desloca, transformando a força linear em torque no eixo rotativo.
Essa configuração é ideal para aplicações onde se requer alta precisão no controle de movimento rotativo, mantendo robustez e confiabilidade em condições de operação severas.
Quando o ar comprimido é aplicado ao tubo inferior (com o tubo superior ventilado), a pressão empurra ambos os pistões em direção ao centro. Esse movimento linear dos pistões aciona o mecanismo de cremalheira, girando o pinhão no sentido anti-horário. Por outro lado, quando o ar comprimido é aplicado ao tubo superior (com o tubo inferior ventilado), a pressão empurra os pistões para fora, fazendo o pinhão girar no sentido horário.
Esse funcionamento ilustra a eficiência do mecanismo de cremalheira e pinhão em conversões precisas de movimento linear para rotativo, característica fundamental em atuadores pneumáticos para válvulas rotativas, como as válvulas borboleta e esfera.
Na prática, essa dinâmica permite um controle bidirecional do movimento da válvula, garantindo precisão e resposta rápida. Adicionalmente, a configuração do sistema permite que cada pistão distribua igualmente a carga, reduzindo o desgaste mecânico e aumentando a durabilidade do atuador.
Um exemplo desse projeto de atuador, seccionado para revelar seus componentes internos, é apresentado a seguir. A seção transversal permite observar claramente a interação entre os pistões, a cremalheira e o pinhão, destacando como o movimento do fluido comprimido é transformado em força de rotação aplicada ao eixo da válvula.
Outro design de atuador pneumático de pistão utiliza uma alavanca de manivela simples, em vez de um conjunto de cremalheira e pinhão, para converter o movimento linear do pistão em movimento rotativo. Nesse tipo de mecanismo, a força gerada pelo pistão ao mover-se linearmente é transmitida à alavanca de manivela, que a converte em torque para girar o eixo da válvula.
Essa abordagem oferece uma alternativa mais compacta e econômica em comparação ao sistema de cremalheira e pinhão, especialmente para aplicações em que a simplicidade mecânica e a facilidade de manutenção são prioridades. Embora menos precisa para controle fino do movimento rotativo, essa configuração é altamente eficaz para válvulas on/off, como válvulas de esfera.
Na próxima fotografia, é possível observar um atuador pneumático com esse design conectado a uma válvula de esfera. Essa configuração destaca como o movimento linear do pistão se traduz em um giro eficiente da esfera da válvula, permitindo ou bloqueando o fluxo do fluido no sistema.
Outro design de atuador pneumático de pistão utiliza uma alavanca de manivela simples, em vez de um conjunto de cremalheira e pinhão, para converter o movimento linear do pistão em movimento rotativo. Nesse tipo de mecanismo, a força gerada pelo pistão ao mover-se linearmente é transmitida à alavanca de manivela, que a converte em torque para girar o eixo da válvula.
Essa abordagem oferece uma alternativa mais compacta e econômica em comparação ao sistema de cremalheira e pinhão, especialmente para aplicações em que a simplicidade mecânica e a facilidade de manutenção são prioridades. Embora menos precisa para controle fino do movimento rotativo, essa configuração é altamente eficaz para válvulas on/off, como válvulas de esfera.
Na próxima fotografia, é possível observar um atuador pneumático com esse design conectado a uma válvula de esfera. Essa configuração destaca como o movimento linear do pistão se traduz em um giro eficiente da esfera da válvula, permitindo ou bloqueando o fluxo do fluido no sistema.
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Como Manter e Reparar Cilindros Hidráulicos – Dicas de Instrumentação