Válvulas de Aperto: Análise Técnica Detalhada e Contextualização
As válvulas de aperto (Válvulas Pinch) são dispositivos de 2/2 vias projetados para controlar ou interromper o fluxo de meios abrasivos, corrosivos ou granulares. Seu funcionamento baseia-se em um design simples, no qual uma luva elastomérica interna é pressionada para regular a passagem de fluidos ou sólidos. Esse processo pode ocorrer por meio de ar pressurizado, que força a abertura ou o fechamento da válvula, ou por um mecanismo mecânico que aplica a força manualmente ou com a ajuda de um atuador motorizado.
Na posição aberta, a válvula permite a passagem livre de uma grande variedade de materiais, sem restrições, enquanto na posição fechada, o fluxo é completamente interrompido. Um dos principais benefícios desse design é que a luva interna de borracha isola o meio do resto da válvula, prevenindo contaminação e danos aos seus componentes metálicos, o que é crucial em ambientes com produtos corrosivos ou abrasivos.
Essas válvulas são particularmente eficazes em aplicações industriais que envolvem o manuseio de lamas, grãos e produtos granulares, como areia, cimento, cascalho, fibras têxteis, pó, pelotas e fragmentos de vidro. Sua simplicidade e eficácia as tornam uma opção confiável e econômica para diversas indústrias, incluindo a química, farmacêutica, alimentícia, de tratamento de águas residuais, além de setores como mineração e produção de cimento.
Graças ao seu design limpo e à capacidade de lidar com meios de alta abrasão sem entupimentos, as válvulas de aperto são amplamente utilizadas tanto em serviços sanitários, como nas indústrias alimentícia e farmacêutica, quanto em serviços industriais mais pesados. Elas se destacam em comparação com outros tipos de válvulas, como válvulas borboleta, esfera e globo, devido à sua baixa manutenção, resistência ao desgaste e versatilidade em ambientes desafiadores, oferecendo uma solução prática e econômica para controle de fluxo em sistemas com alta concentração de sólidos ou partículas abrasivas.
As válvulas de aperto possuem um design simples, mas altamente eficaz, composto por três principais componentes: o alojamento, a luva de borracha e as conexões finais. A luva de borracha, que é o único elemento que entra em contato direto com o meio, se estende da entrada à saída da válvula e é fixada no alojamento, garantindo a proteção dos demais componentes. As conexões finais, que podem ser aparafusadas, parafusadas ou rosqueadas, proporcionam suporte estrutural e garantem a integração da válvula com o sistema de tubulação.
Como funciona uma válvula de aperto?
O princípio de operação de uma válvula de aperto baseia-se no controle do fluxo por meio de um movimento linear. A luva de elastômero, flexível e resistente, é comprimida para interromper o fluxo do meio. Essa compressão pode ser realizada de duas formas: através da aplicação de pressão de ar, fluido ou por um mecanismo mecânico. Quando a pressão é aplicada na parte externa da luva, ela se fecha ao ser comprimida no centro, obstruindo completamente o fluxo.
O mecanismo de fechamento pode ser controlado por um simples sistema de parafuso ou por barras de aperto. No caso mais comum, a compressão ocorre apenas de um lado da luva, mas, em alguns projetos, é possível utilizar um parafuso diferencial que aciona mecanismos de aperto em lados opostos da válvula, garantindo um fechamento mais uniforme e controlado. Esse design permite um controle preciso do fluxo, além de minimizar o desgaste da luva, prolongando a vida útil do sistema.
A Fugura 2 apresenta uma válvula de mangote, a figura destaca três principais partes(componentes) principais que asseguram sua funcionalidade: Corpo (identificado como D), a Luva de Elastômero (identificado como E) e as Flanges (identificado como G). A luva de elastômero é posicionada dentro do corpo, estendendo-se da entrada até a saída da válvula, sendo o único elemento que entra em contato direto com o fluido ou outro material que passe através da válvula. Sua forma construtiva protege os demais componentes da válvula contra abrasão, corrosão ou contaminação, porém a luva precisa ser muito bem especificada para garantir a confiabiliade e sua segurança;.
Nomalmente esse tipo de válvulas usam conexões tipo flange , que são mais facilmente montadas, porém tambem existem designer de válvulas rosqueadas. Além de proporcionar suporte estrutural, essas conexões permitem uma vedação segura, assegurando que a válvula opere de forma eficiente, sem vazamentos ou perda de pressão. O design modular dessas conexões facilita a manutenção e a substituição da luva de elastômero, que é o componente mais suscetível ao desgaste, otimizando a vida útil da válvula e minimizando o tempo de inatividade em processos industriais.
A operação das válvulas de mangote pode ser dividida em dois principais tipos: mecânica e automática. No caso das válvulas de mangote mecânicas, elas são classificadas como válvulas de múltiplas voltas, o que significa que o volante manual na posição (rotulado como A) precisa realizar mais de uma volta completa (360°) para abrir ou fechar a válvula. Na sua posição normal, a válvula permanece aberta (Figura 3, rotulada como A).
Conforme o volante é girado, a haste da válvula (Figura 2, rotulada como B) se desloca para baixo, e uma barra de aperto (Figura 2, rotulada como C) pressiona a parte intermediária da luva de elastômero até que ela seja firmemente comprimida (Figura 3, rotulada como B), interrompendo completamente o fluxo do meio. Algumas variações de design incluem uma barra de aperto rebaixada e uma barra de aperto ascendente, trabalhando em conjunto para fechar a válvula de maneira eficiente (Figura 2, rotulada como F).
Nas Válvulas de mangote automáticas, o fechamento da luva é realizado por meio de ar comprimido, fluido hidráulico ou acionamento por solenóide. Embora o mecanismo de acionamento varie, o princípio de funcionamento permanece o mesmo. As válvulas pneumáticas, o ar comprimido é utilizado para apertar o centro da luva, fechando o fluxo de maneira rápida e eficiente. As válvulas hidráulicas utilizam fluido hidráulico para gerar a força de compressão necessária para fechar a luva. Já nas válvulas acionadas por solenóide, uma corrente elétrica controla o movimento de um êmbolo, que pressiona a luva, realizando o fechamento da válvula.
Em todos esses casos, a ação de fechamento eficiente da luva de elastômero evita que partículas abrasivas danifiquem a válvula, ao mesmo tempo em que garante que o fluxo de meio seja interrompido de maneira segura e confiável.
Símbolo de P&ID da válvula de aperto
Os dois símbolos na figura 4 são versões alternativas do símbolo da válvula de aperto. Diagramas de tubulação e instrumentação (P & IDs) usam esses símbolos.
Vantagens
As válvulas de mangote possuem um design diferenciado que proporciona diversas vantagens técnicas, tornando-as especialmente adequadas para uma ampla gama de aplicações industriais. A seguir, são descritos com mais detalhes os principais benefícios dessas válvulas:
1. Adequação para Meios Abrasivos e Corrosivos
O principal componente de vedação da válvula de mangote é a luva de elastômero, que entra em contato direto com o meio transportado. Esse design elimina a exposição de componentes metálicos internos a substâncias abrasivas ou corrosivas, o que aumenta significativamente a durabilidade da válvula em ambientes desafiadores, como o manuseio de lamas, pós, produtos químicos corrosivos e líquidos abrasivos.
2. Caminho de Fluxo Reto e Livre de Entupimentos
O design interno das válvulas de mangote proporciona um caminho de fluxo totalmente reto quando a válvula está aberta, sem qualquer obstrução. Isso permite a passagem eficiente de meios sólidos, líquidos ou particulados, minimizando o risco de entupimentos que são comuns em outros tipos de válvulas, como válvulas de esfera ou gaveta. Essa característica é essencial em processos que envolvem partículas grandes ou fluidos com alta viscosidade.
3. Mínima Turbulência e Atrito
A estrutura simples e o uso de uma luva de elastômero flexível ajudam a minimizar a turbulência e o atrito dentro da válvula. Isso é especialmente benéfico em aplicações onde é desejável manter o meio de transporte o mais estável possível, sem provocar desgaste adicional devido ao atrito com componentes internos.
4. Prevenção de Contaminação
Como a luva de elastômero é o único componente que entra em contato direto com o meio, há um risco mínimo de contaminação entre a válvula e o produto transportado. Essa característica é particularmente vantajosa em indústrias que exigem altos padrões de pureza e higiene, como nas indústrias alimentícia, farmacêutica e química.
5. Fácil Substituição das Luvas de Borracha e Baixo Custo de Manutenção
Uma das principais vantagens operacionais das válvulas de mangote é a facilidade com que as luvas de borracha podem ser substituídas. Quando a luva sofre desgaste, devido ao uso contínuo, ela pode ser trocada de maneira rápida e sem a necessidade de desmontar a válvula inteira. Isso resulta em menor tempo de inatividade e custos de manutenção reduzidos, tornando a válvula uma opção econômica a longo prazo.
6. Excelentes Propriedades de Vedação
Devido à sua flexibilidade e capacidade de compressão, a luva de elastômero oferece excelentes propriedades de vedação, impedindo vazamentos. Isso garante a confiabilidade das válvulas de mangote em aplicações que exigem isolamento hermético do meio, mesmo em condições de operação severas.
7. Rápido Tempo de Abertura e Fechamento
As válvulas de mangote, especialmente as automáticas, podem ser acionadas de forma rápida e eficiente, seja por meio de sistemas pneumáticos, hidráulicos ou solenóides. Isso as torna ideais para processos que exigem uma resposta ágil e repetitiva, melhorando a eficiência do sistema em que estão instaladas.
8. Baixo Consumo de Energia
Outro benefício das válvulas de mangote é o baixo consumo de energia durante a operação. Como o mecanismo de compressão da luva exige pouca força em comparação com outros tipos de válvulas (como válvulas de esfera ou globo), o acionamento consome menos energia, especialmente em sistemas pneumáticos e hidráulicos. Isso resulta em economia operacional, especialmente em instalações que utilizam grande quantidade de válvulas.
Em resumo, as válvulas de mangote oferecem uma solução eficiente e confiável para aplicações desafiadoras, com uma combinação de baixo custo de manutenção, excelente vedação, e resistência a ambientes abrasivos e corrosivos. Isso as torna uma escolha popular em setores industriais que priorizam a eficiência, durabilidade e economia.
Desvantagens
Embora as válvulas de aperto apresentem várias vantagens, como baixo custo de manutenção e alta resistência a meios corrosivos e abrasivos, elas também possuem algumas limitações técnicas que devem ser consideradas em determinadas aplicações. A seguir, são descritas com mais detalhes as principais desvantagens dessas válvulas:
1. Limitação em Aplicações de Alta Temperatura
Uma das maiores restrições das válvulas de aperto é o material da luva de elastômero. Embora as luvas de borracha ofereçam excelente flexibilidade e vedação, elas têm uma baixa resistência ao calor, o que as torna inadequadas para processos que operam em temperaturas elevadas. O calor excessivo pode degradar o elastômero, resultando em perda de integridade estrutural, falhas na vedação e, eventualmente, danos permanentes à válvula. A maioria das válvulas de mangote não consegue operar de forma segura em ambientes com temperaturas superiores a 100°C, tornando-as ineficazes para uso em setores como o metalúrgico ou petroquímico, onde altas temperaturas são comuns.
2. Deformação sob Alta Pressão Diferencial
Em situações de alta pressão diferencial, a luva de borracha pode sofrer deformações significativas. Quando a pressão no interior da válvula ultrapassa certos limites, a pressão excessiva pode colapsar ou deformar a luva, o que impede que a válvula abra totalmente. Esse fenômeno ocorre porque o elastômero da luva não tem a mesma resistência que o aço ou outros materiais rígidos usados em válvulas convencionais. Em cenários de alta pressão, isso pode comprometer o desempenho da válvula, resultando em bloqueios parciais do fluxo ou até mesmo falhas operacionais.
Além disso, quando a válvula opera sob alta pressão por períodos prolongados, a deformação da luva pode ser permanente, o que exigirá a substituição precoce do componente.
3. Inadequação para Aplicações de Vácuo
As válvulas de aperto também apresentam dificuldades em operações que envolvem vácuo ou pressão negativa. Devido à flexibilidade da luva de elastômero, a sucção criada dentro da válvula em condições de vácuo pode provocar o colapso da luva. Isso ocorre porque a pressão externa superior empurra a luva para dentro, bloqueando o caminho do fluxo e interrompendo o processo. Em aplicações de vácuo, esse tipo de colapso pode causar falhas catastróficas, impedindo o funcionamento adequado do sistema.
Essas limitações tornam as válvulas de aperto inadequadas para setores que dependem de sistemas de vácuo, como indústrias de embalagens a vácuo, manipulação de materiais sensíveis ou processos de aspiração.
Considerações Adicionais
Além das desvantagens mencionadas, é importante ressaltar que o uso de válvulas de aperto deve ser cuidadosamente avaliado conforme os requisitos específicos do processo. Em aplicações que envolvem temperaturas extremas, pressões elevadas ou vácuo, outras opções de válvulas, como válvulas de esfera ou válvulas de globo feitas de materiais mais robustos, podem oferecer melhor desempenho e maior confiabilidade.
Apesar dessas limitações, as válvulas de aperto continuam sendo uma escolha eficiente para muitos processos industriais, especialmente aqueles que lidam com meios abrasivos e que não exigem condições extremas de temperatura ou pressão. A seleção adequada do material da luva e o controle da pressão de operação são fundamentais para garantir o desempenho ideal da válvula.
Critérios de seleção
Ao selecionar uma válvula de mangote para uma aplicação específica, é essencial considerar uma série de critérios técnicos que impactam diretamente o desempenho e a durabilidade da válvula. A seguir, detalham-se os principais fatores que devem ser analisados para garantir a escolha adequada:
1. Material
O material da válvula de mangote desempenha um papel crucial, especialmente no que diz respeito à luva de borracha, que é o único componente em contato direto com o meio processado.
Corpo da Válvula:
O corpo da válvula deve ser feito de um material leve e resistente, que facilite o manuseio e a instalação. Como o corpo não entra em contato direto com o meio, o material pode ser selecionado com foco em durabilidade mecânica e leveza, sem a necessidade de ser quimicamente compatível com o fluido.
Luva de Borracha: A escolha do material da luva é o aspecto mais importante, uma vez que a luva está constantemente exposta ao meio. O material precisa ser resistente tanto à abrasão quanto à corrosão, dependendo da natureza do fluido. Entre os materiais mais comuns usados na fabricação das luvas de válvulas de mangote estão:
Borracha Natural: Boa resistência à abrasão e flexibilidade, indicada para meios abrasivos moderados.
NBR (Nitrilo): Excelente resistência a óleos e graxas, ideal para indústrias petroquímicas.
EPDM: Alta resistência a produtos químicos e excelente desempenho em temperaturas elevadas, utilizado em aplicações com produtos químicos corrosivos.
Silicone: Suporta temperaturas extremas e é adequado para ambientes sanitários ou de grau alimentício.
Borracha de Qualidade Alimentar: Necessária para aplicações na indústria de alimentos e bebidas, onde a contaminação deve ser evitada.
A resistência do material da luva à abrasão é fundamental para evitar o desgaste rápido e garantir a longevidade da válvula, especialmente em aplicações com meios altamente abrasivos, como cascalho, cimento ou produtos granulados.
2. Pressão
A pressão operacional é um fator crítico na escolha de válvulas de mangote, pois influencia diretamente o processo de abertura e fechamento da luva. É fundamental garantir que a válvula selecionada suporte os diferenciais de pressão envolvidos na aplicação. Conforme mostrado na Figura 5, os diferenciais de pressão controlam a operação da válvula:
Abertura: A pressão operacional (Figura 5, rotulada A) deve ser maior que a pressão de controle (Figura 5, rotulada B). Se a pressão operacional for insuficiente, a luva não conseguirá se expandir e a válvula não abrirá completamente. Em muitos casos, a pressão de controle é ajustada para 0 bar durante a abertura, facilitando o processo.
Fechamento: Para fechar a válvula, a pressão de controle precisa exceder a pressão operacional. Uma diferença inadequada de pressão entre o meio e o controle pode resultar em falhas no fechamento, deixando a válvula parcialmente aberta, o que compromete a vedação e o fluxo.
3. Temperatura
A resistência térmica dos materiais da válvula é outro aspecto vital a ser considerado. A válvula de mangote precisa operar dentro de uma faixa de temperatura que seja compatível com o material da luva e do corpo da válvula. Se a temperatura do processo exceder a capacidade térmica dos materiais, isso pode causar:
Deformação da luva de borracha.
Envelhecimento precoce e perda de flexibilidade.
Falhas mecânicas na vedação, resultando em vazamentos.
Cada material tem suas limitações de temperatura, por isso é essencial certificar-se de que tanto o material da luva quanto do corpo da válvula sejam adequados às condições operacionais mínimas e máximas de temperatura.
4. Certificação
Em determinadas indústrias, como a alimentícia, farmacêutica ou de tratamento de água potável, as válvulas de mangote devem atender a rigorosos padrões de certificação para garantir a segurança e a ausência de contaminação. É importante verificar se a válvula está em conformidade com certificações como:
Certificação de Grau Alimentício: Indica que os materiais usados na válvula são seguros para contato com alimentos e bebidas, sem risco de contaminação.
Certificação para Água Potável: Necessária para válvulas utilizadas em sistemas de distribuição de água, assegurando que o material da luva não libera substâncias prejudiciais à saúde.
Essas certificações são exigidas em regulamentações internacionais e asseguram que o equipamento cumpre com os padrões de higiene e segurança para o manuseio de substâncias sensíveis.
Aplicações Industriais das Válvulas de Aperto
As válvulas de aperto são amplamente utilizadas em várias indústrias devido às suas características únicas. Abaixo estão algumas das principais aplicações e as razões de sua escolha em cada setor:
1. Indústrias de Alimentos e Bebidas
- Características Específicas: As válvulas de aperto sanitárias são fabricadas com luvas de borracha de materiais como nitrilo, borracha natural e EPDM, que são aprovados pela FDA para contato com alimentos.
- Vantagens: A sua capacidade de manutenção de um ambiente limpo e a facilidade de substituição das luvas tornam essas válvulas ideais para aplicações em ambientes onde a higiene é crucial. Além disso, a capacidade de abrir e fechar rapidamente aumenta a eficiência dos processos de embalagem.
2. Indústria Farmacêutica
- Características Específicas: Assim como na indústria alimentícia, a necessidade de limpeza e controle de contaminação é essencial.
- Vantagens: As válvulas de aperto sanitárias oferecem uma solução eficaz para manter a integridade dos produtos farmacêuticos e garantir um ambiente de produção livre de contaminantes.
3. Indústria Química
- Características Específicas: A diversidade de produtos químicos e suas propriedades exigem uma ampla gama de materiais para as luvas das válvulas de aperto.
- Vantagens: As válvulas de aperto podem ser adaptadas para lidar com uma variedade de produtos químicos, oferecendo resistência à corrosão e abrasão dependendo do material da luva utilizado.
4. Indústria de Cimento
- Características Específicas: O cimento é altamente abrasivo e pode causar desgaste significativo nos componentes das válvulas.
- Vantagens: As luvas de borracha natural utilizadas em válvulas de aperto são suficientemente duráveis para resistir ao desgaste causado pelo cimento, aumentando a longevidade e a eficácia das válvulas em ambientes de alta abrasividade.
5. Indústria de Manuseio de Granéis e Sólidos
- Características Específicas: O manuseio de materiais granulares e sólidos requer válvulas que possam lidar com grandes volumes e resistir ao desgaste.
- Vantagens: As válvulas de aperto são ideais para essas aplicações devido à sua capacidade de oferecer resistência à abrasão e seu design que evita entupimentos, permitindo um fluxo contínuo sem bloqueios.
6. Indústria Cerâmica
- Características Específicas: O fluxo de materiais cerâmicos é altamente abrasivo e pode causar danos significativos às válvulas.
- Vantagens: As válvulas de aperto com luvas de borracha reforçada são projetadas para suportar a abrasividade extrema dos fluxos cerâmicos, garantindo um desempenho confiável mesmo em condições severas.
7. Indústria de Plásticos
- Características Específicas: O transporte de pellets e resíduos plásticos pode causar obstruções em válvulas que não sejam projetadas para lidar com esses materiais.
- Vantagens: As válvulas de aperto são adequadas para movimentar pellets e resíduos plásticos sem risco de entupimento, o que as torna ideais para processos de manuseio de plásticos.
8. Indústria de Águas Residuais
- Características Específicas: As válvulas em sistemas de tratamento de águas residuais precisam lidar com sólidos e líquidos de forma eficaz.
- Vantagens: As válvulas de aperto são eficazes como válvulas de alívio de pressão e corte, oferecendo confiabilidade e durabilidade em ambientes de tratamento de águas residuais, onde é necessário controlar fluxos variáveis e com partículas sólidas.
Seleção e dimensionamento de atuadores para válvulas