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Controle de processo de precisão: ação dos atuadores de válvulas

Controle de processo de precisão: ação dos atuadores de válvulas

O design e o controle do processo industrial são assuntos desafiadores. Há muitas restrições físicas e variáveis de interação que afetam o rendimento, a eficiência, a qualidade do produto, a segurança operacional e o meio ambiente. O atuador da válvula de controle é crítico para todas essas situações.

Independentemente do seu objetivo final, as taxas de fluxo precisam ser controladas em vários pontos ao longo do processo. Variáveis como fluxo, temperatura, pressão, níveis de tanque, entre outras, precisam ser rigidamente reguladas para atingir as metas desejadas, mantendo a segurança e a confiabilidade operacionais. Embora seja a válvula de controle que controla fisicamente a mídia do processo, o atuador é o coração e o cérebro da operação, posicionando mecanicamente a válvula em resposta às instruções do sistema de controle de processo da fábrica.

Longe de ser uma commodity, os atuadores fornecem importante controle de processo e a escolha correta dele faz uma enorme diferença entre falha e sucesso no procedimento.

Por exemplo, considere o papel de um atuador usado para misturar gasolina e etanol antes de ser carregado em um caminhão para transporte. O objetivo é controlar uma relação precisa entre os combustíveis, mas as diferentes taxas de expansão térmica de gasolina e etanol – assim como a necessidade de isolar a mistura da água devido à miscibilidade do etanol na água – representam desafios. Por essas razões, a mistura geralmente é feita em tempo real durante o carregamento direto nos caminhões-tanque, havendo pouco espaço para variações na relação. Obter o controle necessário para evitar misturas dispendiosas e fora de especificação começa com uma atuação de válvula precisa, consistente e confiável.

Considerações de projeto e avaliação de necessidades para especificar um atuador de válvula

Especificar um atuador requer atenção a vários detalhes, os quais devem ser considerados o mais cedo possível no processo de projeto. Os engenheiros de projeto devem abordar as seguintes questões durante sua avaliação de necessidades para ajudar a orientar o processo de especificação.

  • Disponibilidade e custo de energia: quanta energia será dedicada ao funcionamento do atuador? A maioria das plantas quer funcionar da maneira mais eficiente possível para economizar dinheiro e atender às metas de sustentabilidade ambiental. Não apenas os atuadores elétricos de alta tensão consomem mais energia, mas a execução de linhas trifásicas pode ser dispendiosa. Correr e suportar infraestruturas pneumáticas é ainda mais dispendioso. Alguns atuadores elétricos mais novos podem funcionar em 12 volts, dando às plantas a capacidade de instalá-las em áreas remotas e alimentá-las com painéis solares ou células de combustível. Os baixos requisitos de energia também aumentam a economia de energia.
  • Objetivos de controle: quanta tolerância o seu processo tem para variação? A precisão e a repetibilidade do atuador desempenham papéis-chave aqui. O atuador precisará trabalhar de forma intermitente ou continuamente? Atuadores com limitações de ciclo de trabalho podem superaquecer e desarmar se eles iniciarem e pararem com muita frequência, e as bandas inoperantes usadas para limitar a modulação podem ser muito largas para fornecer resolução suficiente e alcançar o controle necessário. Atuadores capazes de modulação contínua, por outro lado, podem responder a solicitações constantes de controle e fornecer melhor resolução.
  • Condições de segurança ambiental: há gases ou poeiras explosivas presentes? Se sim, a escolha do atuador deve levar as certificações apropriadas de Classe e Divisão.
  • Condições operacionais ambientais: qual é a faixa de temperatura ambiente esperada? O atuador está fora em extremos de tempo severo ou sujeito à submersão? A certificação de invólucro e a faixa de temperatura nominal do atuador são adequadas para o ambiente de produção? Nem todos os atuadores podem operar em todas as condições.
  • Tipo de válvulas: o processo usa válvulas rotativas de quarto de volta ou de controle linear? Escolher o melhor tipo de válvula para uma aplicação é uma ciência própria, mas uma vez que as escolhas são feitas para cada aplicação, o estilo apropriado do atuador deve ser considerado.
  • Dimensionamento do atuador: quais tipos de válvulas são usadas e quanta força é necessária para acioná-las? O atuador deve ser combinado com o tipo de válvula e seu torque ou empuxo necessário. Um atuador subdimensionado pode não conseguir operar a válvula em todas as condições, enquanto um atuador superdimensionado pode danificar a haste da válvula. Em alguns casos, como nas válvulas borboleta, que possuem requisitos de torque de assentamento altos em comparação com os torques de operação, pode ser apropriado especificar uma conexão de articulação, usando um atuador de torque menor em vez de montar um atuador maior diretamente na haste da válvula. Uma ligação pode ser usada para caracterizar o perfil de torque que o atuador aplica à válvula. Assim, as articulações projetadas adequadamente possibilitam o uso de um atuador menor dimensionado para o menor torque de funcionamento exigido pela válvula, enquanto produz binários muito mais altos na sede da válvula. A vantagem é um atuador mais econômico e eficiente em termos de espaço/peso. Independentemente da abordagem de montagem, os atuadores de sobredimensionamento e subdimensionamento podem resultar em controle inadequado da válvula.

O que procurar em um atuador de válvula de controle

Quando a avaliação das necessidades estiver concluída, você estará em uma posição melhor para especificar o atuador correto para atender aos requisitos do processo.

A precisão do atuador e a capacidade de repetir movimentos ultrafinos são fundamentais. Em certo sentido, o atuador deve ser quase invisível ao processo. Evite um atuador com tempos mortos ou bandas mortas muito variáveis que limitem a capacidade de fazer pequenas e instantâneas alterações na posição da válvula. Faixas largas e mortas fazem com que o atuador espere até que ocorram mudanças dramáticas no processo, antes de reagir e reposicionar a válvula. Em vez disso, procure um atuador que atinja sua velocidade e torque em milissegundos e que pare em milissegundos, proporcionando operação rápida, confiável e precisa da válvula. Investigue também o histórico de confiabilidade do atuador: se ele tende a parar de funcionar a cada poucos meses, pode haver atrasos significativos na produção.

Ao avaliar as opções do atuador, os engenheiros precisam estar cientes das limitações dos projetos de atuadores elétricos, pneumáticos, hidráulicos e convencionais. Por exemplo, atuadores pneumáticos são suscetíveis à resposta de aderência/deslizamento, tempo morto excessivo, desempenho inconsistente com condições variáveis e degradação do desempenho ao longo do tempo. Eles também exigem sistemas de ar caros e não confiáveis, que podem congelar ou ficar contaminados.

Os atuadores hidráulicos podem proporcionar um bom desempenho de controle porque, ao contrário do ar que aciona os atuadores pneumáticos, o fluido hidráulico é incompressível, eliminando assim a aderência/escorregamento e a resposta inconsistente. No entanto, eles são mais complexos e podem exigir manutenção dispendiosa.

Vazamentos de fluido hidráulico são outra preocupação e podem representar riscos de processo e/ou segurança. Vazamentos podem sujeitar processos como água potável ou processamento de alimentos ao risco de contaminação. Eles também podem representar um risco de incêndio quando usados em aplicações de combustão em torno de fornos ou caldeiras.

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