Introdução
Actuadores de válvulas pneumáticas são elementos importantes nas aplicações de controlo de processos de automatização de válvulas industriais. Estes actuadores funcionam e transformam o ar comprimido em movimento mecânico que controla as válvulas essenciais, como a válvula de borboleta, a válvula de esfera e a válvula de gaveta, na ausência de manipulação manual. São amplamente utilizados no controlo de fluidos, nas indústrias de processo e onde a fiabilidade e a segurança são fundamentais. Os actuadores de válvulas pneumáticas são particularmente notáveis devido à sua simplicidade, baixo custo e aplicabilidade a uma vasta gama de aplicações.
Assim, o conhecimento dos diferentes tipos de actuadores de válvulas pneumáticas é essencial para alcançar uma elevada eficiência do sistema de controlo de processos. Estes actuadores destinam-se a oferecer movimento em linha reta ou movimento rotativo, dependendo da válvula e do sistema. Cada um deles tem as suas vantagens e o tipo de válvula adequado que deve ser escolhido para garantir os melhores resultados de desempenho. Neste artigo, vamos explicar o funcionamento dos actuadores de válvulas pneumáticas, descrever os tipos mais populares de actuadores, enumerar os benefícios da sua utilização e dar dicas sobre como escolher o atuador certo.
Como funcionam os actuadores de válvulas pneumáticas
Os actuadores de válvulas pneumáticas funcionam através da aplicação de energia de ar comprimido para produzir movimento mecânico com o objetivo de controlar a posição da válvula. Quando o ar é introduzido no atuador, é comprimido numa câmara e empurra contra outras peças, tais como pistões, diafragmas ou palhetas. Por exemplo, nos actuadores lineares, esta pressão faz deslocar um pistão para abrir ou fechar a haste da válvula, um conceito que é amplamente aplicado em válvulas de globo ou de obturador. Nos actuadores rotativos, o ar comprimido faz rodar uma palheta ou engrenagem para proporcionar movimento a válvulas como as de esfera ou de borboleta.
Existem sistemas de controlo que tornam o processo preciso e fiável. As válvulas solenóides e as válvulas de controlo são utilizadas para controlar o fluxo de ar e os interruptores de limite são utilizados para dar feedback da posição das válvulas. Uma das medidas de segurança que se encontram em muitos actuadores é o tipo de retorno por mola que faz com que a válvula regresse à sua posição inicial quando a pressão de ar é libertada. Por exemplo, em sistemas de paragem de emergência, esta caraterística ajuda a evitar riscos através do fecho ou abertura de válvulas.
Os actuadores pneumáticos são mais vantajosos do que os actuadores eléctricos em áreas onde é provável que ocorram riscos de explosão, uma vez que não utilizam eletricidade e, por conseguinte, não produzem faíscas. São utilizados nas indústrias de petróleo e gás, processamento químico e produção de energia devido ao seu elevado binário, resposta rápida e elevado desempenho. Devido à sua construção robusta, são vitais para uma gestão segura e eficaz dos processos.
Tipos comuns de actuadores de válvulas pneumáticas
Os actuadores de válvulas pneumáticas são de vários tipos principais, e cada tipo é adequado para aplicações específicas devido às suas vantagens. Estes tipos incluem actuadores pneumáticos de diafragma, actuadores pneumáticos de pistão, actuadores de cremalheira e pinhão, actuadores do tipo palheta e actuadores scotch yoke. Cada tipo de atuador oferece caraterísticas de funcionamento específicas que satisfazem diferentes requisitos de automatização de válvulas.
| Tipo de ctuador | Caraterísticas principais | Vantagens | Aplicações típicas |
| Atuador de membrana | Diafragma flexível, design compacto | Manutenção reduzida, controlo preciso | Válvulas de controlo (por exemplo, globo, obturador) |
| Atuador de pistão | Pistão em câmara cilíndrica | Binário elevado, durável | Válvulas de gaveta, de esfera, de borboleta |
| Atuador de cremalheira e pinhão | Sistema de engrenagens para movimento linear-rotativo | Binário consistente, design compacto | Válvulas de esfera e de borboleta |
| Atuador de palhetas | Rotor com design de palhetas | Compacto e económico | Tarefas ligeiras, válvulas de borboleta |
| Atuador de forquilha escocesa | Mecanismo de forquilha para binário elevado | Binário elevado, construção robusta | Válvulas de gaveta, aplicações pesadas |
Actuadores pneumáticos de membrana
Os actuadores pneumáticos de membrana são aqueles que utilizam uma membrana flexível dentro de uma câmara fechada para converter a pressão do ar em movimento linear. Quando é aplicada pressão, a membrana dobra-se e roda uma haste ou válvula de forma muito precisa. Esta conceção é adequada para válvulas de controlo, tais como válvulas de globo e de obturador, em que é necessário um controlo rigoroso e preciso.
Os actuadores de membrana são menos volumosos e menos complexos em termos de conceção do que os actuadores de pistão e são ideais para utilização em áreas confinadas e aplicações de baixo binário. A sua flexibilidade também os torna menos propensos ao desgaste e, por conseguinte, requerem uma manutenção mínima durante um longo período de tempo. No entanto, são normalmente concebidos para trabalhar em gamas de pressão mais baixas e não são adequados para aplicações de binário elevado ou válvulas de serviço pesado em que são utilizados actuadores de pistão ou actuadores rotativos.
Os actuadores de membrana são utilizados em indústrias que necessitam de um controlo preciso do processo devido ao seu equilíbrio entre precisão, fiabilidade e tamanho.
Actuadores pneumáticos de pistão
Os actuadores pneumáticos de pistão são concebidos para uma força elevada e, por isso, são adequados para utilização com válvulas grandes, como válvulas de gaveta, de esfera e de borboleta. As suas caraterísticas de conceção são um pistão que está alojado num cilindro e é acionado por ar comprimido. Isto permite-lhes produzir mais força e ser eficazes em cursos mais longos do que os actuadores de diafragma, tornando-os ideais para utilização em indústrias.
Ao contrário dos actuadores de diafragma, os actuadores de pistão são capazes de trabalhar a alta pressão, que pode ser superior a 10 bar, e são adequados para o controlo preciso de válvulas grandes. Também têm uma elevada flexibilidade e podem funcionar em condições extremas e em condições de funcionamento extremas. No entanto, podem ser maiores e ter um design mais complicado, o que pode exigir mais espaço e cuidados. Os actuadores de pistão são amplamente utilizados nas indústrias de petróleo e gás, de tratamento de água e de fabrico, onde são necessários actuadores robustos e potentes.
Actuadores de cremalheira e pinhão
Os actuadores de cremalheira e pinhão são actuadores rotativos que utilizam um mecanismo de parafuso para converter o movimento linear em movimento rotativo. A cremalheira é uma engrenagem reta que se desloca ao longo de um percurso linear quando é fornecido ar comprimido e o pinhão é uma engrenagem circular que roda para acionar a válvula. Esta conceção é simples, eficaz e pode produzir um binário constante que é adequado para válvulas de esfera e de borboleta.
Ao contrário de outros actuadores rotativos, os sistemas de cremalheira e pinhão oferecem uma saída de binário constante numa vasta gama de pressões. Estão disponíveis em dois tipos: de ação simples, em que a válvula regressa à sua posição inicial quando se perde a pressão de ar, e de ação dupla, em que a pressão de ar é utilizada para abrir e fechar a válvula. Comuns nas indústrias de processo, estes actuadores são apreciados pela sua fiabilidade, precisão e capacidade de utilização em ciclos elevados.
Actuadores de tipo palheta
Os actuadores de palhetas são actuadores rotativos que utilizam uma palheta que está ligada a um rotor para produzir movimento rotativo. Quando o ar comprimido é fornecido a um lado da palheta, esta roda o veio de saída para ajustar a posição da válvula. Esta conceção é pequena, simples e eficaz, pelo que os actuadores de palhetas são ideais para utilização em áreas onde o espaço é um fator limitante e onde é necessário um binário moderado.
Embora os actuadores de palhetas sejam menos compactos do que os actuadores de cremalheira e pinhão, produzem menos binário e são, por isso, adequados para aplicações como as válvulas de borboleta. No entanto, não são ideais para binários elevados ou condições de funcionamento difíceis porque os vedantes das palhetas podem desgastar-se com o tempo. Os actuadores de palhetas são mais adequados para pequenos sistemas onde o espaço e o custo são questões críticas, especialmente em indústrias onde é necessário um desempenho fiável para movimentos rotativos ligeiros.
Actuadores de forquilha escocesa
Os actuadores de jugo escocês destinam-se a aplicações de binário elevado e utilizam um mecanismo de jugo escocês para traduzir o movimento linear em movimento rotativo. Este mecanismo proporciona uma saída de binário elevada e potente, o que torna estes actuadores adequados para operar válvulas de grandes dimensões, tais como válvulas de gaveta e válvulas de controlo em aplicações industriais rigorosas. Isto torna-os únicos em relação a outros tipos de actuadores porque são capazes de gerar um binário mais elevado no início e no fim do curso.
Outra vantagem dos actuadores de forquilha escocesa é a caraterística de retorno por mola que garante que a válvula está numa posição segura em caso de perda de pressão de ar durante operações importantes. Proporcionam uma relação binário/peso mais elevada do que os actuadores de cremalheira e pinhão, mas são geralmente maiores em tamanho. Estes actuadores são normalmente aplicados nas indústrias de petróleo e gás e petroquímica, onde se valoriza a fiabilidade, o binário elevado e o desempenho em condições difíceis.
Vantagens e aplicações dos actuadores de válvulas pneumáticas
Os actuadores de válvulas pneumáticas são muito apreciados pelas suas caraterísticas específicas e versatilidade de utilização. As suas vantagens podem ser classificadas em três áreas principais: segurança, desempenho e flexibilidade.
Segurança
A primeira grande vantagem é que utilizam ar comprimido em vez de eletricidade, o que é uma grande vantagem no mundo de hoje. Isto reduz as hipóteses de desenvolvimento de faíscas e torna-os adequados para utilização em áreas de alto risco, como o petróleo e o gás, o processamento químico e a exploração mineira. Por exemplo, em áreas perigosas, como as que envolvem explosões, os actuadores pneumáticos são mais eficazes do que os actuadores eléctricos, porque garantem um funcionamento seguro e eficiente sem a necessidade de caraterísticas de segurança adicionais.
Desempenho
Os actuadores pneumáticos proporcionam um elevado binário de saída e, como tal, são ideais para utilização em válvulas de grandes dimensões, como válvulas de gaveta ou de esfera. Oferecem tempos de resposta curtos, que são importantes em processos que necessitam de um controlo preciso e rápido da válvula. Por exemplo, os actuadores pneumáticos podem fornecer velocidades de funcionamento até três vezes mais rápidas do que os actuadores eléctricos, proporcionando assim um controlo preciso do processo. Também são bem construídos para suportar outras condições de funcionamento adversas, tais como temperaturas elevadas e ambientes corrosivos, daí a sua durabilidade.
Versatilidade
Os actuadores pneumáticos são versáteis e podem ser utilizados com diferentes tipos de válvulas, tais como válvulas de esfera, borboleta, globo e de gaveta, sendo assim adequados para muitas indústrias. São amplamente aplicados em sistemas de controlo de fluidos, centrais de produção de energia e estações de tratamento de água. Devido a este facto, são capazes de trabalhar a baixa pressão de 3 bar e a alta pressão de mais de 10 bar, tornando-as adequadas para sistemas de baixa e alta pressão.
Devido à segurança, ao elevado desempenho e à flexibilidade, os actuadores pneumáticos são essenciais nas indústrias que exigem precisão, fiabilidade e velocidade. O facto de serem utilizados em quase todos os sectores importantes é suficiente para mostrar a importância da automatização moderna das válvulas.
Selecionar o atuador de válvula pneumática certo para as suas necessidades
A seleção do atuador de válvula pneumática correto envolve alguns factores que devem ser tidos em consideração para obter o atuador certo que se adapte à válvula e tenha um bom desempenho. Os principais aspectos a avaliar incluem os seguintes:
Tipo de válvula e compatibilidade do atuador
O tipo de válvula a ser operada é a chave para o tipo de atuador que deve ser utilizado. As válvulas de movimento rotativo incluem válvulas de esfera ou de borboleta e estas requerem actuadores de cremalheira ou de palhetas. Por exemplo, os actuadores de cremalheira e pinhão oferecem um binário constante e são adequados para operações rotativas precisas, enquanto os actuadores de palhetas são pequenos e eficazes para operações de baixo binário. As válvulas de globo e de comporta, que são válvulas lineares, são normalmente operadas com actuadores de diafragma ou de pistão. Os actuadores de membrana são mais adequados para aplicações de binário reduzido, enquanto os actuadores de pistão são mais adequados para aplicações de força elevada.
Requisitos de binário
O atuador deve ser capaz de produzir binário suficiente para abrir e fechar a válvula conforme necessário, especialmente sob pressão. Os actuadores de jugo escocês são particularmente robustos para aplicações de binário elevado porque fornecem mais binário no início e no fim do curso do que os sistemas de cremalheira e pinhão. Para aplicações de baixa carga, os actuadores de palhetas podem ser suficientes, mas devido ao baixo binário de saída, não podem ser utilizados para válvulas grandes ou de carga elevada.
Condições ambientais
O ambiente de funcionamento desempenha um papel importante na determinação do tipo de actuadores a utilizar. Em áreas perigosas, os actuadores pneumáticos são mais preferidos do que os actuadores eléctricos porque não provocam faíscas. Por exemplo, os actuadores de pistão são ideais para temperaturas altas ou baixas ou para atmosferas corrosivas devido à sua construção robusta, enquanto os actuadores de palhetas podem não ser tão duráveis.
Modo de ação
Os actuadores de ação simples com retorno por mola são actuadores à prova de falhas que devolvem a válvula à sua posição inicial quando o fornecimento de ar é cortado. Esta caraterística é muito importante em aplicações como os sistemas de paragem de emergência. Os actuadores de duplo efeito, em que a pressão de ar é utilizada tanto para a abertura como para o fecho da válvula, proporcionam um melhor controlo mas não têm capacidade inerente de segurança.
Condições de fornecimento de ar
Os actuadores têm de ser compatíveis com a pressão e o caudal de ar disponíveis. Os actuadores de membrana são utilizados para baixas pressões, por exemplo, 3-6 bar, enquanto os actuadores de pistão e scotch yoke são utilizados para altas pressões, mais de 10 bar, sendo por isso adequados para operações pesadas.
Quando estes factores são combinados com determinados requisitos operacionais, como o binário, o tipo de válvula e as condições ambientais, as indústrias podem escolher o atuador pneumático certo que proporcionará o melhor desempenho e segurança.
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Conclusão
Os actuadores de válvulas pneumáticas são os componentes mais importantes dos modernos sistemas de automação industrial, que fornecem um controlo preciso, fiável e energeticamente eficiente para vários processos. Os actuadores de diafragma, pistão, cremalheira e pinhão, palheta e scotch yoke oferecem diferentes vantagens, dependendo da aplicação do equipamento. A escolha do atuador depende do binário necessário, do tipo de movimento, do ambiente e da disponibilidade de ar. Estes factores permitem às indústrias melhorar o desempenho do sistema, a segurança e o custo do sistema. Os actuadores pneumáticos continuam a ser um dos tipos mais populares de equipamento de controlo de processos devido à sua flexibilidade, resistência ao desgaste e capacidade de funcionamento nas condições mais severas.
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