DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE E DO ATUADOR

Dimensionamento da válvula de controle e do atuador
Com foco na estabilidade dinâmica, também conhecida como forças de gradiente negativo

A operação de uma válvula de controle próxima à sede da válvula deve ser evitada por vários motivos; um deles é o efeito do gradiente negativo em um obturador e atuador de válvula. Primeiramente, o que é “gradiente negativo” e por que é importante?

“Em resumo, gradiente negativo é a taxa na qual as forças do meio que flui através de uma válvula afetam o obturador da válvula e causam instabilidade. É importante porque se o gradiente negativo criar uma força igual ou maior que a força fornecida pelo atuador, fará com que o obturador da válvula se mova SEM alteração no sinal de controle para a válvula. Os atuadores devem ser cuidadosamente dimensionados e selecionados para evitar quaisquer problemas devido a essas forças.”

Basicamente, é quando o fluido move a válvula aberta ou fechada por si só. Muitas vezes isso é visto quando a válvula está perto da sede e as forças de gradiente negativo
empurram o obturador para dentro da sede. Isso é frequentemente visto em projetos de obturador balanceado e em obturadores de válvula desbalanceados na orientação de fluxo descendente do corpo angular.

Para que uma válvula controle com precisão e suavidade, a característica de fluxo da válvula deve estar livre de quaisquer gradientes negativos. Essas “instabilidades dinâmicas” podem dificultar o controle da válvula em certos pontos da faixa de deslocamento. Quando essas forças são maiores que a força da mola do atuador, as forças do fluxo atuam no elemento de controle (ou seja, obturador da válvula) dentro do corpo da válvula e podem causar grandes mudanças na posição da abertura da válvula que não foram devido a uma mudança na entrada sinal. Essa instabilidade no controle do processo pode ter impacto significativo.

Conseguiu visualizar??? Não? Ok, pense na velha rolha de borracha em uma banheira. Ok, você está imaginando? Não tem certeza do que quero dizer? Olhe abaixo

Ótimo, agora com a banheira cheia de água, há uma força positiva na rolha de borracha no ralo e então vamos supor a pressão atmosférica a jusante da rolha. Agora, se você aplicar força e puxar a corrente, a rolha sairá do ralo e a água fluirá pelo ralo. Mas se a rolha estiver muito perto do dreno, as forças da água puxarão a rolha para dentro do ralo, portanto, você precisa aplicar força suficiente para puxar a rolha mais longe do ralo.

Agora vamos ver a mesma explicação, mas mude algumas palavras para aplicar isso ao dimensionamento da válvula de controle e do atuador. Pense no obturador de uma
válvula, Ok, você está imaginando? Não tem certeza do que quero dizer? Olhe abaixo

Ótimo, agora com a válvula fluindo água, há uma pressão positiva no obturador da válvula e na sede e então vamos assumir a pressão atmosférica a jusante do obturador. Agora, se você aplicar força e levantar a haste da válvula, o obturador se moverá para fora da sede e a água fluirá pela sede e a jusante.
Mas se o obturador estiver muito próximo ao assento, as forças da água o puxarão para dentro do assento, portanto, você precisa aplicar força suficiente para puxá-lo para fora do assento.
Viu o que fiz aqui!

Banheira = Válvula
Tampão = Obturador da Válvula
Ralo = Sede
Corrente = Haste da Válvula

Portanto, ao dimensionar uma válvula de controle, isso é apenas uma das coisas que devem ser mantidas em mente, porque o design do interno afetará o dimensionamento do atuador. No exemplo acima, estávamos olhando para um projeto de obturador guiado e de fluxo descendente com um obturador desbalanceado, tudo isso desempenha um fator importante, pois as forças são calculadas para serem usadas para dimensionar e selecionar o atuador correto para uma válvula de controle.

Uma válvula de controle “pode” ser operada sem um posicionador e apenas receber um sinal de entrada diretamente para o atuador. Quando nenhum posicionador é usado, e quando o sistema não está sujeito a mudanças rápidas, a taxa de mola do atuador deve ser maior ou igual ao produto do fator de gradiente negativo e a queda de pressão máxima de fluxo. Existem diferentes fórmulas para diferentes designs, para válvulas desbalanceadas com pressão tendem a abrir o fator de gradiente negativo é (0), mas válvulas desbalanceadas com pressão tendem a fechar e o fator é (2). Esses são todos os cálculos que os engenheiros usam para garantir que a válvula funcione corretamente e forneça o controle certo para a aplicação. O fator de gradiente negativo é um número que o fabricante da válvula de controle testou e calculou e depende do tipo de válvula, estilo do interno, diâmetro da porta e curso da válvula.

Outro ponto a ser lembrado ao dimensionar válvulas e atuadores em relação à instabilidade dinâmica é o tipo de atuador. Atuadores pneumáticos, que dependem do funcionamento de um gás compressível, são mais suscetíveis à instabilidade dinâmica, ao contrário dos atuadores eletromecânicos e hidráulicos, que são inerentemente mais rígidos. Os atuadores pneumáticos são inicialmente lineares, mas com o tempo as molas podem enfraquecer as juntas e vedações podem se desgastar e os efeitos da histerese e da banda morta acabarão por causar degradação na sensibilidade do sistema do atuador e, por fim, operarão de forma não linear. Mesmo durante a operação normal do atuador, isso pode afetar a tolerância de desempenho do atuador, o que diminuiria a sensibilidade ou a resolução do atuador. Por esse motivo,
é fundamental lembrar a importância dos posicionadores e controladores de válvula no que se refere à estabilidade do circuito de controle. Um controlador de válvula, devido ao conjunto de feedback, corrigirá essa não linearidade, e ajustando a pressão do ar ao diafragma para chegar a um determinado ponto de ajuste. Entretanto, se o caminho do atuador não for forte o suficiente para superar as forças de instabilidade dinâmica, essas forças continuarão a combater o atuador, o controlador e o sistema com ciclos frequentes, e se estiver perto do assento, o plugue continuará a bater no
banco repetidamente e pode causar danos significativos.

Em conclusão, existem muitos fatores que entram no dimensionamento adequado da válvula de controle e ignorar uma pequena coisa pode causar uma reação em cadeia de
efeitos que acabará custando dinheiro e dor de cabeça.

Carlos Peterson Tremonte, engenheiro
mecânico, diretor industrial da Foxwall Válvulas
de Controle, vice-presidente da AETEC.