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Projeto de Sistemas de Vapor


Aplicação de VaporControle de Pressão e Temperatura


Redução de Pressão


Com a diminuição da pressão, pode-se conseguir uma maior vida útil das máquinas, equipamentos e acessórios do sistema de vapor;

Observando as curvas características do vapor e a tabela de vapor saturado, notaremos que o calor latente aumenta com a diminuição da pressão, com isso consegue-se uma maior eficiência de troca térmica e uma redução no tempo de aquecimento do processo com pressão reduzida;

Além disso, com a redução da pressão é possível conseguir uma considerável economia no consumo de vapor, conforme mostrado no exemplo a seguir:

Por que reduzir a Pressão?


Válvulas Piloto-Operadas


Dados: Quantidade de Combustível (Óleo BPF):100.000 KgPressão de trabalho: 8 Kgf/cm2Calor específico do Óleo BPF: 0,5 Kcal/ ºC KgTemperatura inicial: 30 ºCTemperatura final: 60 ºC

Qc = m . c . ∆TCL . χ

Onde:m - massa (kg)c - calor específico∆T - diferencial de temperaturaCL - calor latente do vapor (kcal/kg)χ - título do vapor

Considerando uma pressão de trabalho de 8 Kgf/cm² (calor latente = 485,6 Kcal/Kg) e o título do vapor igual a 0,8 teremos:

Q = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⇒ Q = 3.861,20 Kg/h de vapor0,8 x 485,6

100.000 x 0,5 x (60-30)



Dados: Quantidade de Combustível (Óleo BPF):100.000 KgPressão de trabalho: 8 Kgf/cm2calor específico do Óleo BPF: 0,5 Kcal/ ºC Kgtemperatura inicial: 30 ºCtemperatura final: 60 ºC

Se reduzíssemos a pressão de trabalho para 4 Kgf/cm² (calor latente = 503,7 Kcal/Kg), mantendo o título, teríamos:

Q = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⇒ Q = 3.722,45 Kg/h de vapor0,8 x 503,7

100.000 x 0,5 x (60-30)

Uma redução de 5,0% no consumo de vapor!



Somando-se à melhoria do título do vapor:

Qc = m . c . ∆TCL . χ


Para título do vapor igual a 0,8 teremos:

m. Cp. Dt m. Cp. DtQi = ----------------- ⇒ Qi . 0,8 = ----------------------

Cl. 0,8. T Cl. TPara título do vapor igual a 0,95 teremos:

m. Cp. Dt m. Cp. DtQi = ----------------- ⇒ Qi . 0,95 = ----------------------

Cl. 0,95. T Cl. T



Somando-se à melhoria do título do vapor:

Qc = m . c . ∆TCL . χ


Qf x 0,95 = Qi x 0,8 ⇒ Qf = 0,84 . Qi kg/h ⇒ Qf = 84% de Qi.

Ou seja, com a simples instalação de um separador de umidade conseguiremos uma economia da

ordem de 16%.



Válvulas Auto Operadas


TIPOS:

• AÇÃO DIRETA

CARACTERÍSTICA:

Única sede (Principal)

• PILOTO OPERADA

CARACTERÍSTICA:

Duas sedes (Principal e Piloto)

Válvulas Auto Operadas


- Vapor, ar comprimido, líquidos e outros gases;

- São compactas, o que permite maior aproximação do equipamento.

- Não podem trabalhar em condições de escoamento crítico onde P2 é

igual ou menor que 1/2 P1;

- Recomendadas para um só equipamento onde não haja variações

de pressão montante da mesma ou grande variações de fluxo;

Válvulas de Ação Direta


Funcionamento:

Chegada do fluido (pressão) junto com a força da mola no obturador contra a sede, mantendo a válvula fechada.



Funcionamento:

Girando a canopla no sentido horário, comprime-se a mola, que movimenta o eixo e a sede, permitindo assim a passagem do fluido.



Funcionamento:

O fluido então ocupa a outra câmara da válvula, a tubulação jusante, e entraráem equilíbrio com a mola.



Funcionamento:A pressão a jusante aumenta e atua através do fole para conter a força da mola e fechar a sede quando a pressão for a de ajuste.



Funcionamento:

Depois de equilibrada e com a sede fechada (set- point) todo o processo de controle se repete.



- Ranges:Mola cinza = 0,14 à 1,7 bargMola verde = 1,4 à 4,6 bargMola laranja = 3,5 à 8,6 barg

- Benefícios:

- Segurança no ajuste da pressão devido ao pino de trava da canopla;- Projeto compacto e leve, reduz custos de instalação;- Utilizando internos em aço inoxidável proporciona longa vida útil e redução dos problemas de manutenção.



Dimensionamento:



Panelões Encamisados

Equipamentos de Lavanderias

Instalações Típicas:



Mola de Controle

Conexão para o tubo de equilíbrio

Mola de Retorno

Saída da pressão regulada

Diafragma Principal

Ajuste da Pressão

Diafragma do Piloto

Sede do Piloto

Sede da Válvula PrincipalEntrada do Fluxo



- Vapor, ar comprimido, líquidos e outros gases;

- Pilotos intercambiáveis permitem um controle de mais de uma variável.

- P1 pode variar até mais ou menos em 30% da diferencial sem provocar

variações na pressão jusante;

- Fluxo pode variar de zero a máxima capacidade, pois, o piloto, não permitirá

uma grande variação da pressão

- Recomendada para fornecimento de vários equipamentos, podendo operar com

fluxo crítico;



VÁLVULA 25 SÉRIE

Pressão

Elétrico

Base Temperatura

Pressão

Tipos de Pilotos


Detalhe da Válvula 25P:

Tipos de Pilotos


Tipos de Pilotos

Detalhe da Válvula 25PT:


Detalhe dos Pilotos 25PE, 25TE e 25 PPE:

Tipos de Pilotos


Detalhe da válvula 25G (para Gás Natural):

Tipos de Pilotos


Funcionamento 25P:



Funcionamento 25P:



Funcionamento 25P:



Funcionamento 25P:



Funcionamento 25P:



Funcionamento 25P:



Funcionamento 25P:



Funcionamento 25P:



Funcionamento 25T:



Funcionamento 25T:



Funcionamento 25T:



Funcionamento 25T:



Funcionamento 25T:



Funcionamento 25T:



Funcionamento 25T:



Ranges das molas do piloto P:

- Mola amarela = 0,2 à 2,1 barg

- Mola azul = 1,4 à 7,0 barg

- Mola vermelha= 5,6 à 14,0 barg



Combinação de Pilotos:

- Piloto P = Pressão;

- Piloto PE = Pressão e Elétrico;

- Piloto PD = Pressão c/ comando distância;

- Piloto T = Temperatura p/ aquecimento;

- Piloto TE = Temperatura e Elétrico;

- Piloto E = Elétrico;

- Piloto BP = Alívio pressão;

- Piloto PT = Pressão e Temperatura;

- Piloto PTE = Pressão, Temperatura e Elétrico;

- Piloto CEL = Comando eletrônico PID;

- Piloto PCEL = Pressão e temp. c/ comando PID;

- Piloto TI = Temperatura p/ resfriamento;

- Piloto G = Gás Natural.



0000 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080 9090 100100

SuperSuperDimensionadaDimensionada

SubSubDimensionadaDimensionada

Faixa deFaixa deOperaçãoOperação

Dimensionamento


Para Vapor:

Dimensionamento


Exemplo:Condições de Trabalho:

P1 = 9 barg

P2 = 7 barg

Q = 250 Kg/h

Logo, a válvula de DN 3/4” é adequada.

Dimensionamento


Pelo Ábaco:

Condições de Trabalho:

P1 = 9 barg

P2 = 7 barg

Q = 250 Kg/h

Dimensionamento


Para Líquidos:

Dimensionamento


Dimensionamento

Para Ar Comprimido:















Controle de Temperatura


Termômetro

Termômetro

Água Quente para o Processo

Purgador

Serpentina

Alarme

Vapor

Água Fria

Controle de Temperatura Manual Simples


Aparelho de Controle(Válvula)

Processo(Tanque)

Sensor(Olho)

Atuador(Músculo do Braço)

MANIPULAÇÃO VARIÁVEL

CONDIÇÃO CONTROLADA

Controlador(Cérebro)

Elementos do Controle Automático


O processo é seguro, estável e preciso?

Qual o gasto com um operador

permanente no local?

O operador será capaz de antecipar as variações

do processo?

O que acontece com o Sistema de Controle Manual?


A Válvula de Controle

controla a vazão do fluido

no processo, através de

um orifício de área

variável.

O que a Válvula de Controle faz?


Plug da Válvula

Vazão do Fluido

Sede da Válvula

Força do Atuador

Pressão Diferencial (∆P)

Pressão P1 Pressão P2

Plug da Válvula

Vazão do Fluido

Sede da Válvula

Força do Atuador

Pressão Diferencial (∆P)

Pressão P1 Pressão P2

Válvula de duas vias com sede simples


Força do Atuador

Vazão do Fluido

Válvula de duas vias com sede dupla


Válvulas de Controle de Temperatura de Ação Direta


Válvula

Sensor



Aquecimento Resfriamento

Movimento causado pela mudança de

temperatura no Sensor

Haste

Mecanismo com pistão acionado por mola para

ajuste de temperatura

Sensor de Temperatura

Fluxo

Plug

Haste

Plug




Funcionamento



Funcionamento



Funcionamento



Funcionamento


Fator CV

Diâm. 1/2” 3/4” 1”

CV 2,5 3,75 6,60

Dimensionamento

Pelo Gráfico:


Fator CV

Diâm. 1/2” 3/4” 1”

CV 2,5 3,75 6,60

Dimensionamento

Pelo Gráfico:


Fator CV

Diâm. 1/2” 3/4” 1”

CV 2,5 3,75 6,60

Dimensionamento

Pelo Gráfico:


Fator CV

Diâm. 1/2” 3/4” 1”

CV 2,5 3,75 6,60

Dimensionamento

Pelo Gráfico:


Instalações Típicas

Armazenamento de Água Quente



Tanques de Água de Alimentação de Caldeiras



Tanques Serpentinados


Válvulas de Controle de Temperatura Atuadas Elétrica ou Pneumaticamente


CONTROLADORCONTROLADORSENSOR ATUADORATUADOR

VÁLVULAVÁLVULAVÁLVULA

Elementos do Controle Automático


Atuador Pneumático/

Elétrico

Tanque/Trocador de Calor/ Estufa

Condição de Controle

Variável ManipuladaAr Comprimido (0,2 a 1,0 bar)Corrente Elétrica 4 a 20 mA

Válvula de2 ou 3 vias

Sensor de Pressão/Temp.

Set point remoto

Variável MedidaSinal de Temperatura / Pressão

Proporcional (P)Prop +Integral (P+I)

Prop. + Int.+ Derivativo (P+I +D)

Dispositivo de

Controle

Dispositivo de

Controle

Set PointSet Point

Elemento de

Controle

Elemento de

Controle

ProcessoProcesso

ControladorControlador

Elemento de MedidaElemento de Medida

Elementos do Sistema Típico de Controle de Processos


KE/ KEA 41/ 43- WCB- DN 15-

200-PN 25, 150# e 300#

KE/ KEA 71 e 73 -Ferro Dúctil -

DN 15-50 e DN 15-200- PN 16

e 25, classe 150# e 250#

KE/ KEA 61/ 63 - Aço Inox -

DN 15-50 e DN 15-200

Válvula Globo Sede Simples Série KE


Obturador e sede endurecidos para alta resistência a erosão durante a cavitacão, Flashing ou fluxo em bifásico

KE - (1/2” - 1. 1/4”) DN 40 – 100 mm

Obturador Guiado


Material dos

Internos

LimiteTemp.

ºC

DurezaRockwell

C

Resistênciaa Corrosão

Resistênciaa Erosão

•INOX. 316 -254 +315

8 Excelente Moderada

•INOX. 420 -100 +427

40 Moderada Boa

•INOX. 431 -100 +427

44 ModeradaBoa/

Excelente

•INOX. 440C

-46 +427 55-60 Moderada Excelente

•Stellite nº6 -254 + 815 44 Excelente Boa

•Monel K -240 +315 32 Boa a excelente

Moderadaa Boa

Materiais de Fabricação (Internos)


Erosão Corrosiva e Abrasiva


•Abertura Rápida

•Igual Porcentagem

•Linear

•Parabólica Modificada

Características de Vazão


A cada incremento na abertura da válvula, a vazão aumenta proporcionalmente.

ABERTURA VAZÃO INSTANTÂNEA

20% 20%

33% 33%

48% 48%

51% 51%


1. Característica Linear


A cada incremento na abertura da válvula aumenta a vazão instantânea por uma porcentagem constante da vazão anterior.

ABERTURA % INCREMENTO VAZÃO INSTANTÂNEA20% --- 4%30% +50% 6%40% +50% 9%50% +50% 13.5%


2. Característica Igual Porcentagem


A cada incremento na abertura da válvula, a vazão aumenta desproporcionalmente

ABERTURA VAZÃO INSTANTÂNEA

10% 90%

20% 92%

80% 97%

100% 100%


3. Característica Abertura Rápida


% de Abertura da Válvula

1. Linear

2. Igual Porcentagem

3. Abertura Rápida

4. Borboleta

5. Esfera

50% 100%

Abertura

0

50%

100%

% d

e V

azão 1

2

3 4

5



Abertura Rápida Linear Igual Porcentagem


Tipos de Plugs


Queda de Pressão Através da Válvula = 3 Bar

10 bar g

Válvula Aberta Totalmente

7 bar g

Queda de Pressão através da Válvula


Válvulas de Controle de Duas Vias


Controle de Temperatura Eletro-pneumático

Válvula de 2 vias com Atuador e Posicionador

Controlador

Sensor

Trocador de Calor Vapor/Líquido

Válvulas de Controle de Duas Vias – Aplicações Típicas


Secagem e Pré-Aquecimento de ArVálvula 2 vias com

atuador elétrico Controlador

Sensor



Sistemas com Abertura Lenta

Válvula 2 vias com atuador elétrico

timer



Controle de Vazão

Medidor de Vazão

Válvula 2 vias com Atuador e

Posicionador

Controlador

Filtro Regulador



Controle de PressãoFiltro Regulador

Controlador Pneumático


Posicionador



Controle de Óleo Térmico


Posicionador Filtro Regulador

Controlador

Sensor



VÁLVULA CONVERGENTE

Frio

Quente

Combinação ou Mistura da

Vazão A

B

AB

B

AB A

Para o Sistema ou ProcessoEntrada

Desvio de Fluxo VÁLVULA

DIVERGENTE

Válvulas de Controle de Três Vias


Função Misturadora Serviço Divergente

A

B

AB AAB

B

Tipo de Plug

ABA

B

ABA

B

AAB

B

AAB

B

Tipo de Plug

Válvulas de Controle de Três Vias


Bomba de circulação da linha

secundária

Retorno de Água secundária

Fluxo de água secundário

Válvula de 3 vias

Entrada primária de água

Saída primária de água

Aquecimento Água/Água com válvula de 3 Vias utilizada para divergir

Válvulas de Controle de Três Vias – Aplicações Típicas


Fluxo de ar

Baterias Chiller

Válvula de 3 vias

Bomba de circulação

de água

Controle de resfriamento de água com válvula de 3 vias usada para misturar

Válvulas de Controle de Três Vias – Aplicações Típicas


Atuadores


Entrada de ar

Mola

Diafragma

Curso

Atuadores Pneumáticos


Atuador de ação direta, ou seja,na falta de ar de alimentaçãoa válvula abre.

Atuador de ação reversa, ou seja, na falta de ar de alimentação a válvula fecha.

Atuadores Pneumáticos


Dimensionamento de Válvula e Atuador


O motor atua tanto na posição reversa como direta.

Tensão de alimentação: 220 volts, 100 volts ou 24 volts.

Pode ser fornecido com posicionador ou potenciômetro.

Atuadores Elétricos


Entrada de Ar

Movimento com aumento da pressão de Ar

Ação Direta:

Força para fechar, normalmente aberta

Atuadores e VálvulasVálvula de Controle de Ação Pneumática Direta:


Entrada de ArMovimento com aumento da pressão do Ar

Ação Reversa:

Força para abrir normalmente fechada

Atuadores e VálvulasVálvula de Controle de Ação Pneumática Reversa:


Entrada de Ar

Movimento com aumento da pressão de Ar

Força para abrir, normalmente fechada

Atuadores e VálvulasVálvula de Controle de Ação Pneumática Direta:


ArAr

ArAr ArAr

ArAr

Ação do Atuador DiretaDireta Direta

DiretaReversa ReversaReversa Reversa

Válvula Aberta Válvula FechadaAção da VálvulaNa falha do Ar

Válvula de Duas Vias


Ação do Atuador Direta Reversa

Na falha do Ar

ArAr

ArAr

Sede superior fechada. Sede inferior aberta

Sede inferior fechada. Sede superior aberta

Válvula de Três Vias


POSICIONADORES

PNEUMÁTICO / PNEUMÁTICO

ELETRO / PNEUMÁTICO

ELETRO / PNEUMÁTICO (segurança intrínseca)

CONVERSORES

Transforma o sinal elétrico em pneumático

FILTRO COALESCENTE E REGULADOR DE PRESSÃO

VÁLVULA SOLENÓIDE DE 3 VIAS

Acessórios Opcionais


Alimentação do compressor de Ar para o posicionador 2 - 6 bar g

Sinal de Ar para sistemas de controle 0.2 - 1.0 bar g

Saída de Ar do posicionador para o diafragma do atuador 0 - 6 bar g

Ilustração básica do Posicionador

Posicionadores


Alimentação do Compressor de Ar

Sinal Pneumático

Saída de Ar do Posicionador para Atuador

Sinal Eletrônico

Alimentação do Compressor de Ar

Válvula Pneumática/Atuador operado por Sinal de Controle usando Conversor I para P e Posicionador P para P

Posicionadores


Posicionadores


Posicionadores


EXEMPLO:

Sinal Enviado = 50 % de abertura

Sinal da Válvula = 46 % de abertura

Resultado = o posicionador aumenta o sinal até a válvula ficar em 50% de abertura.

POSICIONADOR:

Recebe um sinal elétrico ou pneumático do Controlador, envia um sinal pneumático

para a válvula de controle, e verifica se o curso da válvula está na posição correta.

Caso o curso da válvula esteja fora de posição, o posicionador recebe esta

informação e corrige a posição, aumentando ou diminuindo o sinal para a válvula.

Diferença entre Posicionador e Conversor


EXEMPLO:


Sinal da Válvula = 46 % de abertura

Resultado = o conversor não envia o sinal, pois acha que a válvula está em 50% de

abertura.

CONVERSOR:

Recebe um sinal elétrico do controlador e envia um sinal pneumático para a válvula de controle.

O conversor não verifica se o curso da válvula está na posição correta, por isso não existe uma correção de posicionamento.

Diferença entre Posicionador e Conversor


EXEMPLO:


Curso da Válvula = 46 % de abertura

Ocorre devido a desgastes de juntas e anéis de vedação. A haste da válvula pode sofrer leves atritos, provocando a histerese ou agarramento.

Este fenômeno também pode ocorrer devido a uma instalação incorreta do atuador ou da válvula de controle.

Histerese ou Agarramento


• Classe III - 0,05% do valor de CV

• Classe IV - 0,01% do valor de CV

• Classe V - 5x10-4 ml / min de água, por polegada do diâmetro do orifício, por

psi diferencial

• Classe VI – número de “bolhas por minuto”

CV - é a quantidade de água (GPM), a 60 ºF, que passa através da válvula com

um diferencial de pressão de 1 PSI.

Classe de Vedação


Sistemas de Controle


Válvulas de Segurança


PRODUZ UMA ABERTURA GRADUAL

Válvulas de Alívio


PRODUZ UMA ABERTURA INSTANTÂNEA



Válvula de Segurança

Dispositivo automático de alívio de pressão caracterizado por uma abertura

instantânea (“pop”) uma vez atingida a pressão de abertura. Utilizadas em serviço

com fluídos compressíveis (Gases e Vapores).

Válvula de Alívio

Dispositivo automático de alívio de pressão caracterizado por uma abertura

progressiva e proporcional ao aumento de pressão acima da pressão de abertura.

Utilizadas em serviço com fluídos incompressíveis (Líquidos).

Definições:



Válvula de Segurança e Alívio

Dispositivo automático de alívio de pressão adequado para trabalhar como válvula

de segurança ou válvula de alívio , dependendo da aplicação desejada.

Definições:



Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA)

É a pressão máxima de trabalho de um vaso, compatível com o código de projeto, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais.

Pressão de OperaçãoÉ a pressão a que está sujeito o vaso em condições normais de operação. Uma margem razoável deve ser estabelecida entre a pressão de operação e a de trabalho máxima admissível. Para uma operação segura, a pressão de operação deve ser pelo menos 10% menor que a PMTA.



Pressão de Abertura (“Set Pressure”)Pressão manométrica na qual a válvula é ajustada para abrir.

Pressão de Fechamento

Pressão em que a válvula fecha, retomando a sua posição original, depois de restabelecida a normalidade operacional, e é igual a pressão de abertura menos o diferencial de alívio.



Terminologia


Terminologia


Diferencial de Alívio (“BlowDown”)

Diferença entre a pressão de abertura e a de fechamento. Expressa em porcentagem da pressão de abertura.

Sobrepressão

Incremento de pressão acima da pressão de abertura da válvula que permitirá a máxima capacidade de descarga. Normalmente expressa em porcentagem da pressão de abertura.



Valores de Sobrepressão adotados no Dimensionamento:

EquipamentoNorma de Projeto Fluido Critério Sobrepressão

Caldeiras ASME I VaporBloqueio Inadvertido ou

Falha Operacional 3%Vasos de Pressão ASME VIII Todos Falha Operacional 10%

Vasos de Pressão ASME VIII TodosFalha Operacional

( Válvulas Múltiplas) 16%Vasos de Pressão ASME VIII Todos Fogo 21%Tubulação Todos Falha Operacional 33%Bombas Líquidos Falha Operacional 25%Compressores Gases Falha Operacional 10%



O funcionamento das Válvulas de Segurança e Alívio baseia-se no equilíbrio entre a força provocadapela carga (da mola, que pressionao disco de vedação contra o bocal) e a força decorrente da pressão de operação do vaso (estática), aplicada na parte inferior do disco de vedação.

Princípio de Funcionamento:Válvulas de Segurança


A medida que a pressão no vasoaumenta, a diferença (Força da mola-Força do fluido) diminui até tornar-se zero, pois a Força da mola permanececonstante enquanto a válvula permanecefechada.



Quando a pressão no vaso atinge o valor da pressão de abertura, rompe-se o equílibrio entre a Forçada mola e Força do fluido, e inicia-se o escoamento do fluído da parte interna para a parte externa do bocal da válvula, iniciando-se assimo processo de alívio de pressão do vaso.



Quando a pressão no equipamentoatinge o valor máximo permitido pelocódigo de projeto, o disco estará no seu curso máximo e a válvulatotalmente aberta (Força damola=Força do fluido).

A válvula deve ter uma área de passagem suficiente para aliviar todoo volume previsto e evitar o aumentode pressão acima dos valoresestabelecidos em projeto.



Quando a válvula for instalada deverá ser previsto espaço para trabalhos de inspeção e manutenção;

As válvulas deverão ser instaladas próximas dos equipamentos que irão proteger;

Deve-se evitar instalar as válvulas na posição horizontal, pois pode ocorrer o acúmulo de resíduos que tendem a restringir ou bloquear a válvula. Programação de inspeção especial;

A máxima perda de carga permissível a montante, para a maior envolvida, não poderá ultrapassar o valor de 3% da pressão de ajuste;

A jusante o diâmetro nominal da linha não deve ser inferior ao da tomada de saída da válvula;

Instalação:Válvulas de Segurança


Instalação:Válvulas de Segurança

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