Dominando o Dimensionamento de Válvulas Pneumáticas: Um Guia Prático

Ar comprimido é amplamente considerado o quarto serviço essencial após eletricidade, gás natural e água. É por isso que a pneumática é uma parte tão integral de muitas indústrias. Quando se trata de pneumática, um dos aspectos mais críticos do sistema é a válvula.

Válvulas de controle direcional de ar, em particular, são aquelas que permitem o fluxo de ar em uma direção ou outra. Elas são usadas para controlar a direção do fluxo de ar em um sistema pneumático, e errar no dimensionamento pode ter consequências caras como mau funcionamento do sistema.

Este artigo discutirá os fundamentos do dimensionamento adequado de uma válvula pneumática e as diferentes opções de válvulas que valem a pena considerar.

Fundamentos do Dimensionamento

Você precisa considerar vários fatores se quiser dimensionar corretamente uma válvula pneumática. Você deve entender como isso é feito para evitar possíveis erros que poderiam fazer seu sistema não funcionar corretamente.

Determinando o tamanho com a equação de vazão

Uma das primeiras coisas que você precisa utilizar é a equação de vazão. Este fator permite considerar quanta vazão uma válvula pode fornecer a um atuador. A classificação associada geralmente usa o termo "coeficiente de velocidade (Cv)." Este Cv (também referido como vazão da válvula) permite a comparação da vazão de diferentes válvulas. Quando o valor de Cv é alto, a vazão também é maior.

Para combinar uma válvula e um cilindro, você pode utilizar a seguinte equação:

Cv = (A × S × a × Cf) ÷ (t × 29)

As variáveis envolvidas nesta fórmula são as seguintes:

• A = Área do Pistão do Cilindro (π × r²)
• S = Curso do Cilindro
• t = Tempo (em segundos)
• a = Constante de Queda de Pressão
• Cf = Fator de compressão
• (t × 29) = Tempo (em segundos) que leva para a pressão cair da pressão inicial à final

Vale notar que as duas últimas variáveis mudam com base no valor usado na tabela ou gráfico de Fator de Dimensionamento.

Gráfico de dimensionamento de válvula

Se você quiser determinar rapidamente o Cv de uma válvula, também pode utilizar um gráfico de dimensionamento de válvula. Este gráfico geralmente tem vários valores para Cv, sendo alguns dos mais comuns 0,015, 0,030 e 0,060.

O gráfico de dimensionamento de válvula informará a vazão máxima de ar para cada tamanho de válvula. Você também pode determinar quanta pressão é necessária para abrir e fechar a válvula.

Também vale notar que o Cv da válvula depende do fabricante. O gráfico de dimensionamento deve ter todas as informações para determinar o Cv correto para suas necessidades. Adicionalmente, especialistas recomendam superdimensionar a válvula em cerca de 25% para contabilizar várias perdas em sistemas pneumáticos.

Se você quiser ser mais específico com o dimensionamento, também pode calcular o Cv de cada componente no sistema. Isso lhe dará uma imagem mais precisa de quanta vazão de ar é necessária.

Convertendo Cv para PCPM e DEQO (Diâmetro Equivalente de Orifício de Aresta Quadrada)

Às vezes é útil converter o Cv de uma válvula para duas outras classificações: Pés cúbicos padrão por minuto (PCPM) e diâmetro equivalente de orifício de aresta quadrada (DEQO). Estas classificações podem ser úteis quando você está tentando determinar quanta vazão uma válvula pode fornecer.

Para converter Cv para PCPM, você pode usar a seguinte equação:

PCPM = Cv ÷ F

Para converter Cv para DEQO, você pode usar a seguinte equação:

DEQO = (Cv × F) ÷ P

As variáveis envolvidas nestas equações são:

• P = Pressão em PSI
• T = Temperatura em graus Fahrenheit.
• F = Fator

Lembre-se que tanto a Pressão (P) quanto o Fator (F) são frequentemente obtidos de uma tabela de fator de conversão. Digamos que você esteja tentando converter seu Cv para PCPM.

O valor de Cv é 0,48 e está sendo operado a 100 PSI. Se você olhar uma tabela de fator de conversão, notará que 100 PSI equivale a 0,0177.

Portanto:

PCPM = Cv ÷ F

27 (PCPM) = 0,48 (Cv) ÷ 0,0177 (Fator)

Isso também pode ser revertido multiplicando o PCPM pelo fator:

PCPM x Fator = Cv

27 (PCPM) x 0,0177 (Fator) = 0,48 (Cv)

Diferentes Opções de Válvulas

Quando você olha para válvulas pneumáticas, notará vários tipos disponíveis. Os mais comuns são os seguintes:

Válvula 5 vias 4 vias

A válvula 5 vias 4 vias tem uma porta de exaustão separada para cada porta do cilindro na válvula. Ao fazer isso, controles de vazão podem ser adicionados na exaustão para permitir controle separado de cada porta do cilindro. Isso é usado mais frequentemente ao controlar um cilindro de dupla ação.

Válvula 3 posições, 5 vias 4 vias

Estas válvulas são iguais a uma válvula 5 vias 4 vias, exceto que têm três posições centrais possíveis. Posição um e três são as mesmas de uma válvula 5 vias 4 vias. No entanto, a posição central permite três opções diferentes para o que acontece quando a válvula é desativada. As três posições possíveis são centro de exaustão, centro de pressão e centro bloqueado. Na posição de centro de exaustão, ambas as portas do cilindro estarão abertas para exaustão. Na posição de centro de pressão, a pressão será aplicada a ambas as portas do cilindro. Finalmente, na posição de centro bloqueado, todas as portas são bloqueadas.

Este tipo de válvula também é ideal para operações onde a haste do cilindro precisa mover-se para uma posição específica e permanecer lá.

Válvulas 5 vias vs. 4 vias 4 vias

A principal diferença entre uma válvula de cinco portas e uma de quatro portas é que a de cinco portas tem uma porta separada para cada porta do cilindro, enquanto a válvula de quatro portas tem os dois fluxos de exaustão indo para a mesma porta de exaustão. Embora a válvula de cinco portas permita fácil controle de cilindros de dupla ação, as de quatro portas tendem a ser usadas onde esse controle separado não é necessário.

Válvulas 3 vias vs. 4 vias

Válvulas 3 vias diferem de válvulas 4 vias porque têm apenas uma porta de cilindro. Em uma aplicação normalmente fechada, o ar é direcionado da porta de suprimento para a porta do cilindro quando a válvula é acionada. Quando a válvula é desativada, a válvula abre a porta do cilindro para exaustão. Em uma aplicação normalmente aberta, a diferença é que o ar flui da porta de suprimento para a porta do cilindro quando a válvula não é acionada. Quando acionada, o fluxo de ar vai da porta do cilindro para a porta de exaustão.

Válvulas 4 vias permitem fluxo contínuo do suprimento para a porta do cilindro normalmente aberta enquanto a porta do cilindro normalmente fechada flui para exaustão. Quando a válvula é acionada, o fluxo muda, exaurindo a porta do cilindro normalmente aberta e pressurizando a porta normalmente fechada.

A maioria das válvulas 3 vias opera cilindros de ação simples, enquanto válvulas 4 vias operam cilindros de dupla ação. Válvulas Balance Humphrey, modelos 310/410 e 320/420 são exemplos perfeitos destas válvulas.

Válvulas de poppet vs. spool e seus usos ideais

Válvulas de poppet são usadas em aplicações onde tempo de resposta rápido é necessário. Elas também são adequadas para uso em aplicações de alta velocidade. Estas válvulas são frequentemente usadas em atuadores pneumáticos, ferramentas a ar e como válvulas piloto.

Por outro lado, válvulas spool são mais adequadas para uso em aplicações de baixa velocidade. Elas também são frequentemente usadas em aplicações onde alta vazão em tamanho menor é necessária. Estas válvulas são tipicamente usadas em aplicações de automação de fábrica.

Válvulas de poppet são frequentemente válvulas de ação direta, enquanto válvulas spool são pilotadas ou válvulas de piloto remoto.

Válvulas proporcionais vs. válvulas digitais

Válvulas proporcionais são frequentemente usadas em aplicações onde controle preciso de vazão de ar é necessário. Estas válvulas podem controlar a vazão da válvula via sinal elétrico variável.

Válvulas digitais, por outro lado, têm apenas dois estados: ligado e desligado. Estas válvulas podem ser usadas para abrir e fechar um circuito, iniciar e parar o fluxo de ar, ou mudar a direção do fluxo de ar.

As válvulas proporcionais Humphrey PV3, PV10 e PC30 são bem conhecidas. Para válvulas digitais, as Válvulas Balance Humphrey são uma escolha popular.

Válvula de Líquido

Este tipo de válvula é usado para controlar o fluxo de líquido. É frequentemente usado em aplicações onde controle preciso do fluxo de líquido é necessário. O uso mais comum para este tipo de válvula é em aplicações médicas e de diagnóstico. As séries Humphrey iDP e HK5 são consideradas ótimos modelos de válvulas de líquido.

Tenha Paciência

O artigo de hoje discute os diferentes tipos de válvulas disponíveis e seus usos ideais. Também fornecemos informações sobre dimensionamento adequado de válvula pneumática usando várias equações de vazão e compartilhamos os vários fatores que você precisa considerar.

Para garantir segurança e eficiência, certifique-se de dedicar tempo para dimensionar corretamente sua válvula pneumática e considere seguir os passos que compartilhamos neste guia.

Em caso de dúvida, sempre busque a ajuda de um profissional ou consulte um fabricante ou distribuidor confiável.

John Henry Foster é um distribuidor líder de atuadores, compressores e válvulas pneumáticas de alta qualidade. Entre em contato conosco hoje se tiver mais perguntas sobre válvulas pneumáticas ou se está procurando maneiras de otimizar seus sistemas. Nossa equipe de especialistas está pronta para atendê-lo.