O que é a válvula de controlo?
Uma válvula de controlo é um componente importante das indústrias de controlo de processos e é utilizada para regular o fluxo de um fluido, a pressão e outros factores num sistema de controlo. Por outras palavras, é uma parte crítica de um circuito de controlo e o elemento de controlo final num sistema de controlo que monitoriza e ajusta o caudal de fluidos como gases, líquidos ou vapor de acordo com sinais de controlo. O objetivo principal de uma válvula de controlo é controlar a variável do processo para o ponto de regulação desejado, ajustando a haste da válvula.
As válvulas de controlo são aplicadas em quase todas as indústrias, incluindo petróleo e gás, processamento químico, tratamento de água e indústrias de produção de energia. São indispensáveis para o funcionamento normal e para alcançar o melhor nível de gestão de vários processos em sistemas de grande escala, especialmente em condições de severidade das condições de serviço. Por exemplo, uma válvula de controlo mantém o caudal estável no caso de uma mudança de carga ou de uma alteração na carga do processo. Devido à sua construção e ao seu tipo de aplicação geral, as válvulas de controlo podem ser utilizadas em vários processos, incluindo em serviços severos.
Ou seja, a utilização e compreensão adequadas das válvulas de controlo são fundamentais para o funcionamento seguro e adequado dos sistemas industriais e para a eficiência. A questão de saber como funcionam as válvulas de controlo leva-nos frequentemente a analisar o funcionamento das válvulas de controlo com mais pormenor, o que faremos na secção seguinte.
Explicação do princípio de funcionamento da válvula de controlo
Uma válvula de controlo é um tipo de válvula que funciona de forma a controlar o fluxo de um fluido numa tubagem para atingir uma condição de processo específica, como o fluxo, a pressão ou a temperatura do nível do líquido. Isto é feito através da sincronização de sensores e controladores. Segue-se uma explicação passo a passo do funcionamento de uma válvula de controlo:
| Etapa | Descrição | Exemplo de aplicação |
| Sensores | Recolher dados em tempo real sobre as variáveis do processo, como o caudal, a pressão e a temperatura. | Um sensor de tubagem de vapor mede o caudal e os níveis de pressão para garantir um funcionamento seguro. |
| Sistema de controlo | Compara os valores medidos com os pontos de ajuste desejados e determina os ajustes necessários. | Um PLC ajusta a posição da válvula se a pressão cair abaixo do nível requerido. |
| Atuador | Converte o sinal de controlo em movimento mecânico para ajustar a posição da haste da válvula. | Um atuador pneumático reduz a abertura da válvula de 50% para 30% para diminuir o caudal em resposta a sinais de feedback. |
| Ciclo de feedback | Monitoriza as novas variáveis do processo após o ajuste da válvula para garantir que os pontos de regulação desejados são mantidos. | A monitorização contínua do caudal garante que o sistema se mantém estável mesmo em condições de carga variáveis. |
Os sensores recolhem dados em tempo real
Começa com a instalação de sensores das variáveis do processo na tubagem, o que ajuda a estimar os principais parâmetros do processo, incluindo caudais, pressões ou temperatura. Por exemplo, num sistema que fornece vapor a alta pressão, os interruptores verificam com maior frequência se o caudal e as pressões estão dentro das especificações corretas.
O sistema de controlo é comparado com os pontos de regulação
O sistema de controlo envolve estruturas como o Sistema de Controlo Distribuído (DCS), ou o importante hardware Controlador Lógico Programável (PLC), para obter dados de sistemas electrónicos e sensores. Este mede o valor obtido e compara-o com um valor definido pelo programador. Se ocorrer um desvio - por exemplo, se a pressão estiver abaixo do ponto de regulação - o sistema de controlo calcula a ação corretiva necessária.
Sinal enviado para o atuador
O Atuador Ajusta a Válvula
Que altera a posição da haste da válvula através da alteração do sinal de controlo que o atuador transforma em movimento mecânico. Este movimento altera a passagem do fluxo dentro da válvula:
Se o sistema necessitar de menos fluxo, o atuador roda a haste da válvula para diminuir o tamanho da via de passagem.
Se houver necessidade de mais fluxo, o atuador roda a haste numa direção que abre mais as válvulas.
Por exemplo, a alteração da abertura de uma válvula de 50% para 30% numa aplicação inicial de tubagem de líquidos também aumenta o caudal, facilitando o controlo do caudal em conformidade.
Feedback contínuo e aperfeiçoamento
Um dos elementos mais importantes da válvula de controlo é o sinal de retorno. O sistema de controlo verifica constantemente as novas variáveis do processo após o ajuste da válvula. Se a variável de processo, por exemplo, o caudal, ainda não estiver no ponto de regulação da condição de processo desejada, que se baseia no sensor da condição de processo, o sistema de controlo envia um sinal de correção e outros sinais para ajustar a posição da válvula. Assim, existe um controlo dinâmico para manter os pontos de regulação das condições do processo com uma estabilidade razoável e limites de erro mínimos.
Em resumo, uma válvula de controlo controla a quantidade de fluidos que circulam através de tubos, alterando a sua área de abertura ao longo do tempo sob a direção de sensores e sinais. Esta integração dos sensores, dos actuadores e dos sistemas de controlo faz com que o controlo do processo seja preciso, fiável e eficaz, proporcionando um controlo preciso dos parâmetros do sistema. É fundamental que este princípio seja bem compreendido para que seja um fator utilizado para melhorar o funcionamento dos sistemas industriais e alcançar a estabilidade do sistema.
Componentes principais de um sistema de válvulas de controlo
Existem vários componentes fundamentais de um sistema de válvulas de controlo e todos eles são muito importantes no que diz respeito ao funcionamento do sistema de válvulas de controlo que ajuda a gerir o fluxo de fluidos. Todos estes componentes proporcionam uma sinergia perfeita que apoia a eficácia dos processos. Segue-se uma explicação pormenorizada:
Corpo da válvula
O corpo da válvula é a parte principal da válvula de controlo, que inclui a passagem do fluxo e as peças de trabalho internas. Tem de ser fabricado para suportar situações de utilização difíceis, como alta pressão, temperatura elevada e soluções nocivas. São adoptados muitos substratos, como o aço inoxidável ou o aço-carbono, para obter uma longa duração e evitar a abrasão.
Haste da válvula
A haste da válvula liga o atuador, que executa os comandos introduzidos pelo cliente, ao sistema interno de controlo do fluxo. Destina-se a elevadas quedas de pressão e tensões térmicas e é geralmente fabricada com materiais que não se corroem rapidamente.
Atuador
O atuador é utilizado para operar a haste da válvula de modo a regular a passagem do fluxo. Existem quatro tipos principais de actuadores:
Actuadores manuais: Incluem um volante ou uma alavanca que é acionada por uma pessoa e que é utilizada principalmente em situações de emergência ou de baixo nível de ruído, em que não é necessário utilizar o controlo automático.
Actuadores pneumáticos: São operados a ar e são preferidos devido à sua fiabilidade e manutenção barata nas indústrias.
Actuadores eléctricos: Estes proporcionam uma afinação precisa e automática e são utilizados na maioria dos sistemas de controlo actuais em que a precisão é fundamental.
Actuadores hidráulicos: Utilizando líquido comprimido, são adequados para utilização em aplicações que exigem uma força elevada, como a abertura de grandes válvulas em condutas.
Todos os tipos de actuadores têm as suas vantagens e são escolhidos em função das caraterísticas do processo.
Posicionador
O posicionador certifica-se de que a válvula atinge a posição correta requerida pelo sinal de controlo. Reajusta constantemente o atuador para remover quaisquer variações que possam ser causadas por interferência do sistema, stick-slip ou histerese, e fornece uma regulação precisa do caudal em ambientes difíceis.
Componentes auxiliares
Os componentes de isolamento, como a junta, a vedação e o empanque, garantem que não há fugas de fluido no sistema. Estas peças têm a importante função de tornar a válvula adequada para serviço a alta pressão ou alta temperatura.
Cada um destes componentes deve funcionar eficazmente para que a válvula de controlo funcione como um elemento chave de controlo final em estruturas industriais. A sua seleção adequada, de acordo com os requisitos operacionais e ambientais, é a porta de entrada para um controlo de fluidos fiável e eficaz.
Diferentes tipos de válvulas de controlo e respectivas aplicações
As válvulas de controlo são classificadas de acordo com o seu método de acionamento. Existem quatro tipos: manual, eléctrica, pneumática e hidráulica. Cada tipo é utilizado para diferentes fins industriais e cada um tem as suas vantagens e utilizações.
Válvulas manuais
As válvulas manuais são as menos complicadas e são acionadas à mão. São mais baratas e mais fiáveis, pelo que são ideais para aplicações de baixo ciclo, como o abastecimento de água ou o isolamento de emergência. Embora sejam relativamente fáceis de utilizar e não necessitem de muita manutenção, não são automatizadas e não são suficientemente precisas para os sistemas actuais, que podem necessitar de afinação constante ou fina.
Válvulas de controlo eléctricas
Os actuadores motorizados são utilizados em válvulas de controlo eléctricas para controlar o fluxo, a pressão ou a temperatura. Devido à sua precisão, são adequados para utilização em indústrias onde é necessário um controlo preciso e automático de determinados processos, como a produção de medicamentos, o controlo da temperatura em edifícios e instalações de purificação de água. As válvulas eléctricas podem fornecer uma precisão de controlo de até ±0,1% para a maioria das aplicações, o que é ideal para processos precisos. São energeticamente eficientes, pouco ruidosas e compatíveis com sistemas de controlo sofisticados, mas podem ter um tempo de reação mais lento do que as válvulas pneumáticas. No entanto, as suas caraterísticas de automação e a baixa necessidade de manutenção tornam-nas inestimáveis em aplicações limpas ou em sistemas que necessitam de tolerâncias apertadas.
Válvulas de controlo pneumático
As válvulas de controlo acionadas a ar são populares nas indústrias de petróleo e gás, petroquímica e de produção de energia. Têm tempos de resposta curtos e podem trabalhar a temperaturas baixas e altas (-40°C a 200°C), o que as torna ideais para utilização em alta frequência e em áreas perigosas onde o equipamento elétrico constitui um perigo. As válvulas pneumáticas são ligeiramente menos precisas do que as válvulas eléctricas, mas são simples, duradouras e fiáveis. No entanto, são necessários sistemas de ar comprimido, o que pode aumentar os custos de instalação, mas a resposta rápida e a fiabilidade do sistema valem normalmente a pena.
Válvulas de controlo hidráulico
As válvulas de controlo hidráulico funcionam através da utilização de fluidos sob pressão e são, por isso, adequadas para aplicações de grande força, como a exploração mineira ou a perfuração offshore. São particularmente adequadas para alta pressão acima de 300 bar, mas são propensas a fugas e, por isso, necessitam de manutenção frequente. Devido aos seus tempos de resposta mais lentos, são menos adequados para aplicações que requerem mudanças frequentes.
As válvulas eléctricas são mais adequadas para precisão e automação, enquanto as válvulas pneumáticas são adequadas para velocidade e durabilidade. O conhecimento dos requisitos do sistema permite aos engenheiros selecionar a válvula de controlo mais adequada para um desempenho ótimo.
Factores a considerar ao escolher a válvula de controlo certa
A escolha da válvula de controlo adequada é, por isso, muito importante para se obter o melhor desempenho, durabilidade e eficácia do sistema. Os seguintes factores-chave devem ser cuidadosamente avaliados:
Condições de serviço
Reconhecer as condições específicas do processo, relacionadas com a temperatura, a pressão e o tipo de fluido, seja ele água, vapor ou químico. Por exemplo, ácidos e álcalis necessitarão de válvulas com membranas em PTFE ou válvulas com corpo e guarnições em aço inoxidável, serviços superiores a 100 bar podem exigir válvulas de globo de construção robusta.
Caraterísticas do fluxo
Determine a necessidade de caudal, a queda de pressão e a precisão de controlo de caudal necessária. As válvulas de globo e as válvulas angulares são utilizadas para aplicações que requerem operações suaves para diferentes valores de queda de pressão, enquanto que um caudal elevado com uma queda de pressão modesta requer válvulas de esfera ou de borboleta, e as válvulas de retenção ajudam a evitar o refluxo no sistema. A conceção das válvulas é feita para corresponder às exigências de caudal para uma variedade de aplicações de processo, a fim de evitar qualquer forma de desperdício e garantir que a válvula funcionará conforme planeado.
Compatibilidade de materiais
Certifique-se de que os materiais utilizados na criação da válvula podem suportar as propriedades químicas e físicas do fluido do processo. Por exemplo, pode utilizar-se Hastelloy ou titânio se a aplicação se situar numa zona altamente corrosiva, ao passo que o ferro fundido ou o latão servirão para uma aplicação menos corrosiva.
Método de acionamento
O método de atuação determina a precisão do controlo, o tempo necessário para responder e o consumo de energia.
O método de atuação afecta de forma muito especial a precisão do controlo, o tempo de resposta e a eficiência energética. Cada método tem as suas vantagens que correspondem a determinadas condições de funcionamento.
Actuadores pneumáticos: Os actuadores pneumáticos são conhecidos por terem uma resposta de alta velocidade e, por isso, são adequados para aplicações que requerem operações frequentes com afinação fina. Devido ao seu design e construção simples, são muito económicos em termos de energia em aplicações onde o ar comprimido é facilmente acessível. No entanto, a necessidade de um sistema de fornecimento de ar também pode aumentar os custos da infraestrutura. Os actuadores pneumáticos fornecem uma precisão de controlo de cerca de ± 1% , o que é adequado para a maioria dos processos industriais.
Actuadores eléctricos: Os actuadores eléctricos são particularmente adequados para aplicações que requerem um controlo preciso e autónomo, com uma precisão possível de ±0,1%. Isto torna-os perfeitos para utilização em sistemas que exigem afinação regular e fina para obter o valor desejado de forma consistente, por exemplo, na produção de medicamentos ou na purificação de água. Além disso, economiza consideravelmente a energia e dissipa pouca energia quando está a ser utilizado. No entanto, o seu tempo de resposta é relativamente mais lento do que o dos actuadores pneumáticos, o que pode ser uma desvantagem em aplicações que exijam um controlo a alta velocidade.
Actuadores hidráulicos: Fornecendo uma elevada quantidade de força, os actuadores hidráulicos são ideais para aplicações que requerem uma força elevada, como a exploração mineira ou a perfuração offshore. Oferecem um controlo estável em cargas de alta pressão e flutuantes, mas são relativamente lentos devido ao fluido envolvido. As fugas também requerem manutenção frequente para serem corrigidas, uma vez que também afectam a eficiência da energia utilizada.
Manutenção e resolução de problemas de válvulas de controlo
As válvulas de controlo requerem um plano de manutenção eficaz para melhorar a sua fiabilidade e aumentar o seu desempenho e vida útil. A verificação regular deve centrar-se em peças vitais como o corpo da válvula, a haste, os vedantes e os actuadores para garantir o seu bom funcionamento. Por este motivo, as seguintes sugestões de manutenção e recomendações para a resolução de problemas devem ser tidas em consideração:
Inspecções de rotina
Deve ser efectuado um exame minucioso do corpo da válvula e dos vedantes para verificar possíveis fugas, corrosão ou quaisquer danos físicos, especialmente em condições de trabalho extremamente duras.
Torna-se essencial seguir as caraterísticas do atuador e a sua capacidade de resposta aos sinais de controlo, de modo a gerir os primeiros sinais de falha.
Procure quaisquer sinais de desalinhamento da haste da válvula ou de danos que possam causar encravamento ou fazer com que a válvula funcione de forma ineficiente.
Resolução de problemas
A falha de um ou mais accionamentos do atuador ou os erros do acionamento escravo estão associados a avarias no sinal de controlo que podem impedir o estabelecimento do controlo. Tais erros resultam normalmente de erros de calibração, fricção excessiva ou danos físicos.
Os problemas que são acionados mecanicamente requerem atenção imediata. Estes podem incluir inconsistências no fornecimento de ar (pneumático), avarias no atuador (elétrico) ou o interrutor não fornecer energia.
A posição da válvula pode ser afetada por perturbações de carga ou detritos que se acumulam à volta da válvula.
Utilização correta
Para evitar tensões excessivas e desgaste excessivo, utilizar as válvulas de acordo com as suas especificações de conceção, por exemplo, em situações de alta pressão ou alta temperatura.
A compreensão do princípio de funcionamento, dos elementos estruturais e dos limites de funcionamento da válvula de controlo é de grande importância nas actividades de manutenção. Combinadas com um exame periódico e uma reparação rápida, as válvulas de controlo podem proporcionar um desempenho fiável e consistente, mesmo em aplicações industriais extremas.
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