O ar alimentado na câmara do diafragma é o sinal de controle do controlador pneumático. A pressão de ar de sinal mais utilizada é de 0,2 bar a 1 bar.
Considere um atuador de ação reversa (mola para extensão) com mola(s) padrão de 0,2 a 1,0 bar, instalada em uma válvula de ação direta.
Efeito da pressão diferencial na válvula de controle
Quando o conjunto válvula e atuador é calibrado (ou “conjunto de bancada”), ele é ajustado para que uma pressão de ar de 0,2 bar comece a superar a resistência das molas e mova o obturador da válvula para longe de sua sede.
À medida que a pressão do ar aumenta, o obturador da válvula se afasta progressivamente de sua sede, até que, finalmente, na pressão de ar de 1 bar, a válvula está 100% aberta. Isso é mostrado graficamente na Figura acima.
Agora considere este conjunto instalado em uma tubulação em uma aplicação de redução de pressão, com 10 bar g no lado a montante e controlando a pressão a jusante para 4 bar g.
A pressão diferencial na válvula é de 10 – 4 = 6 bar. Esta pressão está atuando na parte inferior do obturador da válvula, fornecendo uma força que tende a abrir a válvula. Esta força é adicional à força fornecida pela pressão do ar no atuador.
Portanto, se o atuador for abastecido com ar a 0,6 bar (entre 0,2 e 1 bar), por exemplo, em vez de a válvula ocupar a posição esperada de 50% de abertura, a abertura real será maior, devido à força extra fornecida pela pressão diferencial.
Além disso, esta força adicional significa que a válvula não está fechada a 0,2 bar. Para fechar a válvula neste exemplo, o sinal de controle deve ser reduzido para aproximadamente 0,1 bar.
A situação é ligeiramente diferente com uma válvula de vapor controlando a temperatura em um trocador de calor, pois a pressão diferencial na válvula varia entre:
Um mínimo, quando o processo está exigindo calor máximo e a válvula de controle está 100% aberta.
Um máximo, quando o processo está à temperatura e a válvula de controle está fechada. Se a pressão a montante da válvula de controle permanecer constante, à medida que a pressão do vapor aumenta no trocador de calor, a pressão diferencial através da válvula deve diminuir.
A Figura Abaixo mostra a situação com o ar aplicado a um atuador de ação direta. Neste caso, a força no obturador da válvula criada pela pressão diferencial funciona contra a pressão do ar.
O efeito é que se o atuador for alimentado com ar a 0,6 bar, por exemplo, em vez de a válvula ocupar a posição esperada de 50% de abertura, o percentual de abertura será maior devido à força extra fornecida pela pressão diferencial. Neste caso, o sinal de controle deve ser aumentado para aproximadamente 1,1. barra para fechar totalmente a válvula.
Pode ser possível recalibrar a válvula e o atuador para levar em consideração as forças criadas pela pressão diferencial, ou talvez usando diferentes combinações de molas, pressão de ar e atuador.
Essa abordagem pode fornecer uma solução econômica em válvulas pequenas, com baixas pressões diferenciais e onde o controle preciso não é necessário.
No entanto, devemos ter atenção a alguns aspectos praticos apresentados na sequencia.
Válvulas maiores têm maiores áreas para a pressão diferencial atuar, aumentando assim as forças geradas e tendo um efeito crescente na posição da válvula.
Pressões diferenciais mais altas significam que forças mais altas são geradas.
Válvulas e atuadores criam atrito, causando histerese. Válvulas menores provavelmente terão maior atrito em relação às forças totais envolvidas.
A solução é encaixar um posicionador no conjunto válvula/atuador.
Nota: Para simplificar, os exemplos acima assumem que um posicionador não é usado e a histerese é zero.
As fórmulas usadas para determinar o empuxo disponível para manter uma válvula em sua sede para várias combinações de válvula e atuador são mostradas na Figura abaixo.
Onde:
A = área efetiva do diafragma
Pmax = Pressão máxima para o atuador (normalmente 1,2 bar)
Smax = Ajuste máximo de bancada(Bench-set) da mola (Força de assentamento da mola)
Pmin = Pressão mínima para o atuador (normalmente 0 bar)
Smin = Ajuste mínimo de bancada(Bench-set) da mola (Força de assentamento da mola)
O força (pressão logitudinal) disponível para fechar a válvula deve fornecer três funções:
Para superar a pressão diferencial do fluido na posição fechada.
Para superar o atrito na válvula e no atuador, principalmente nas vedações da válvula e da haste do atuador.
Para fornecer uma carga de vedação entre o obturador da válvula e a sede da válvula para garantir o grau de estanqueidade necessário.
Os fabricantes de válvulas de controle normalmente fornecem detalhes completos das pressões diferenciais máximas contra as quais suas várias combinações de válvula e atuador/mola irão operar; a Tabela na Figura é um exemplo desses dados.
Observação: Ao usar um posicionador, é necessário consultar a literatura do fabricante para as pressões de ar mínima e máxima.
Definições:
O conjunto de Bench-set: É um dos parâmetros importantes para a válvula de controle. Estabelece a força de assentamento (carga da sede) do obturador contra a sede quando a válvula está totalmente fechada. A tensão de assentamento adequada é fundamental para um desligamento apertado, que em algumas instalações de processo tem consequências de segurança.