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As válvulas borboleta são mais leves, menores e mais leves do que outros tipos de válvulas de controle, o que as torna a melhor escolha para regular o fluxo em muitas aplicações. Tradicionalmente, as válvulas borboleta padrão têm sido usadas em aplicações de ligar/desligar automático e são perfeitas para essa função. No entanto, alguns engenheiros as consideram inaceitáveis quando se trata de regular o fluxo em um sistema de circuito fechado.
As válvulas borboleta usam discos rotativos para controlar o fluxo através de tubos. Os discos normalmente operam em 90 graus, por isso são algumas vezes chamadas de válvulas rotativas angulares. Normalmente, elas são usadas quando a economia é considerada. Quando um fechamento hermético é necessário, válvulas borboleta com vedações elastoméricas macias e/ou discos revestidos podem ser usadas para fornecer o desempenho necessário. As válvulas borboleta de alto desempenho (HPBVs) – ou válvulas de deslocamento duplo – são agora o padrão da indústria para válvulas de controle borboleta e são amplamente usadas para controle de estrangulamento. Elas funcionam bem para aplicações com quedas de pressão relativamente constantes ou ciclos de processo lentos.
As vantagens da HPBV incluem um caminho de fluxo reto, alta capacidade e a capacidade de passar meios sólidos e viscosos com facilidade. Elas geralmente têm o menor custo de instalação de qualquer tipo de válvula, especialmente em tamanhos NPS 12 e maiores. Sua vantagem de custo aumenta significativamente em comparação a outros tipos de válvulas em tamanhos acima de 12 polegadas.
Elas oferecem bom desempenho de fechamento em uma ampla faixa de temperatura e estão disponíveis em diferentes designs de corpo, incluindo wafer, lug e flange dupla. Elas são muito mais leves e compactas do que outros tipos de válvulas. Por exemplo, uma válvula de esfera segmentada de flange dupla ANSI Classe 150 de 12 polegadas pesa 350 libras e tem uma dimensão face a face de 13,31 polegadas, enquanto uma válvula borboleta de lug equivalente de 12 polegadas pesa apenas 200 libras e tem uma dimensão face a face de 3 polegadas.
As válvulas borboleta têm algumas limitações que as tornam inadequadas para controle de fluxo em certas aplicações. Isso inclui capacidade limitada de queda de pressão em comparação com válvulas de esfera globo, que têm maior potencial de cavitação ou evaporação instantânea.
Como a grande área de superfície do disco atua como uma alavanca, aplicando a força dinâmica do meio fluido ao eixo de transmissão, as válvulas borboleta padrão geralmente não são usadas para aplicações de alta pressão. Quando são, o tamanho e a seleção do atuador se tornam críticos.
Às vezes, as válvulas de controle borboleta podem ser superdimensionadas, o que pode impactar negativamente o desempenho do processo. Isso pode ser devido ao uso de válvulas de tamanho de linha, especialmente válvulas borboleta de alta capacidade. Isso pode aumentar a variabilidade do processo de duas maneiras. Primeiro, o superdimensionamento pode dar à válvula muito ganho, deixando menos flexibilidade no ajuste do controlador. Segundo, uma válvula superdimensionada pode operar com mais frequência em aberturas de válvula menores, e o atrito da vedação pode ser maior em uma válvula borboleta. Como uma válvula superdimensionada produz uma mudança de fluxo desproporcionalmente grande para um determinado incremento de curso da válvula, esse fenômeno exagera muito a variabilidade do processo associada à banda morta induzida por atrito.
Às vezes, os especificadores usam válvulas borboleta para serem econômicas ou para se adaptarem a um determinado tamanho de linha, independentemente de suas limitações. Há uma tendência de superdimensionar as válvulas borboleta para evitar comprimir os tubos, o que pode levar a um controle ruim do processo.
A maior limitação é que a faixa ideal de controle do acelerador não é tão ampla quanto a de uma válvula de esfera ou válvula de esfera segmentada. As válvulas borboleta normalmente não funcionam bem fora da faixa de controle de cerca de 30% a 50% aberta.
Geralmente, o loop é mais fácil de controlar quando ele opera de forma linear e o ganho do processo é próximo da unidade. Portanto, um ganho de processo de 1,0 se torna uma meta para um bom controle do loop, com uma faixa aceitável de 0,5 a 2,0 (uma faixa de 4:1).
O desempenho é melhor quando a maior parte do ganho do loop vem do controlador. Observe que na curva de ganho da Figura 1, o ganho do processo se torna bastante alto na região abaixo de cerca de 25% do curso da válvula.
O ganho do processo define a relação entre a saída do processo e a mudança de entrada. Um curso em que o ganho do processo permanece entre 0,5 e 2,0 é a faixa de controle ideal para a válvula. Quando o ganho do processo não está na faixa de 0,5 a 2,0, pode ocorrer baixo desempenho dinâmico e instabilidade do loop.
O design do disco borboleta tem um efeito significativo no fluxo da válvula, pois ela passa de fechada para aberta. Discos com características inerentes de porcentagem igual podem compensar melhor as quedas de pressão que variam com o fluxo. Os acabamentos de porcentagem igual fornecerão características de montagem linear para queda de pressão variável, o que é ideal. O resultado é uma variação mais precisa e um para um entre o fluxo e o curso da válvula.
As válvulas borboleta introduziram recentemente discos com características inerentes de fluxo de porcentagem igual. Isso fornece um recurso de instalação que permite ganho no processo de instalação na faixa desejada de 0,5 a 2,0 em cursos mais amplos. Isso melhora significativamente o controle do acelerador, especialmente na faixa de curso mais baixa.
Este projeto proporciona um bom controle, com um ganho aceitável de 0,5 a 2,0, de aproximadamente 11% de abertura a 70%, um aumento de quase três vezes na faixa de controle em comparação a uma válvula borboleta de alto desempenho (HPBV) típica do mesmo tamanho. Portanto, porcentagens iguais de discos proporcionam uma variabilidade geral do processo menor.
Válvulas borboleta com características inerentes de porcentagem igual, como a válvula Control-Disk, são ideais para processos que exigem desempenho preciso de controle de estrangulamento. Elas podem ser controladas mais próximas do ponto de ajuste alvo, independentemente de distúrbios do processo, reduzindo a variabilidade do processo.
Se a válvula borboleta não estiver funcionando bem, simplesmente substituí-la por uma válvula de tamanho adequado resolverá o problema. Por exemplo, uma empresa de papel está usando duas válvulas borboleta superdimensionadas para controlar a remoção de umidade da celulose. Ambas as válvulas foram operadas com menos de 20% de curso, resultando em variabilidade do processo de 3,5% e 8,0%, respectivamente. A maior parte de sua vida útil é gasta no modo manual.
Duas válvulas borboleta Fisher Control-Disk NPS 4 de tamanho apropriado com controlador de válvula digital foram instaladas. O circuito agora está funcionando em modo automático com variabilidade de processo de 3,5% a 1,6% para a primeira válvula e de 8% a 3,0% para a segunda válvula, sem qualquer ajuste especial do circuito.
A baixa pressão de água e o controle de fluxo no sistema de resfriamento da siderúrgica resultaram em produtos finais inconsistentes. Os nove HPBVs instalados não conseguiram controlar efetivamente o fluxo de água conforme necessário.
A planta queria instalar válvulas que controlassem melhor o processo e precisava minimizar os custos de instalação. A planta gastará US$ 10.000 para substituir a tubulação de cada válvula para mudar de HPBV para válvulas de esfera segmentadas. Em vez disso, a Emerson recomenda usar uma válvula borboleta Control-Disk que atenda às dimensões face a face das HPBVs atuais.
Uma válvula Control-Disk foi testada lado a lado com uma das nove HPBVs existentes e atendeu aos requisitos especificados. A planta substituiu as oito HPBVs restantes em um ano, cada uma equipada com uma válvula Control-Disk, eliminando a necessidade de substituir o encanamento de US$ 90.000 para a válvula de esfera segmentada, e a válvula de esfera custou aproximadamente 25% a mais do que a válvula borboleta.
As válvulas Control-Disk fornecem controle preciso e ajudam a eliminar a variabilidade no produto final. A fábrica estima que a instalação de nove válvulas Control-Disk economizará cerca de US$ 1 milhão anualmente.
Em comparação com a maioria dos outros tipos de válvulas, as HPBVs com posicionadores digitais têm custos iniciais de instalação mais baixos e, quando dimensionadas corretamente, fornecem alcance de controle adequado. Elas têm alta capacidade e restrições mínimas de fluxo. As válvulas borboleta com internos de porcentagem igual inerentes oferecem a oportunidade de estender o alcance de controle, semelhante às válvulas globo ou esfera, e ocupam apenas o espaço da HPBV.
Ao selecionar válvulas, especialmente HPBVs, certifique-se de que elas sejam do tamanho correto, caso contrário, elas poderão ser controladas manualmente pela sala de controle. Também é importante considerar o estilo da válvula, as características inerentes e o tamanho da válvula, que fornecerão a mais ampla faixa de controle para a aplicação.
Mark Nymeyer é gerente global de comunicações de marketing da Emerson Automation Solutions, responsável pelo controle de tráfego.
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Horário da postagem: 20/01/2022
