A escolha entre uma válvula de esfera e uma válvula solenóide depende da aplicação: uma válvula de esfera é adequada para um fluxo com baixa restrição e um isolamento fiável, especialmente quando permanece na mesma posição durante horas. Uma válvula solenóide é adequada para a comutação elétrica compacta e rápida de um fluido compatível dentro da sua gama de funcionamento nominal.
| Fator de seleção | Válvula de esfera | Válvula solenoide |
|---|---|---|
| Mecanismo operacional | Uma bola com furo gira 90 graus. | Uma bobina eletromagnética aciona um mecanismo interno, diretamente ou através de um estágio piloto. |
| Atuação | Manual, elétrico, pneumático ou hidráulico. | Elétricos; alguns modelos também utilizam pressão de fluido. |
| Velocidade de comutação | Depende do atuador; os modelos elétricos demoram frequentemente alguns segundos ou mais. | Muitos horários variam frequentemente; verifique os horários de abertura e encerramento separadamente. |
| Capacidade de fluxo | Os modelos de passagem total proporcionam um percurso de fluxo relativamente desobstruído. | A capacidade depende do orifício e das passagens internas; compare Cv ou Kv. |
| Funcionamento a baixa pressão | Não necessita de pressão na linha para fazer girar a bola. | Os modelos de ação direta e os modelos com diferencial zero especificado podem funcionar sem diferencial de pressão. |
| Capacidade de retenção | Alguns atuadores elétricos consomem pouca ou nenhuma potência de manutenção; outros apresentam cargas em modo de espera. | As bobinas convencionais necessitam de energia enquanto estão energizadas; os modelos com bloqueio utilizam impulsos. |
| Posição em caso de falha de energia | Depende do atuador e do seu sistema de retorno em caso de falha. | Depende do facto de a válvula ser normalmente fechada, normalmente aberta ou de retenção. |
| Sensibilidade aos detritos | Os modelos de passagem total podem ser adequados para alguns fluidos contaminados, mas as sedes e as cavidades continuam a ser vulneráveis. | As pequenas passagens piloto e as superfícies de vedação podem ser sensíveis à contaminação. |
Uma válvula de esfera motorizada e uma válvula de esfera acionada pneumaticamente podem comportar-se de forma muito diferente, mesmo quando partilham o mesmo corpo de válvula. O atuador determina a forma como a válvula se move e ajuda a determinar o que acontece quando a sua alimentação elétrica falha.
Para o controlo normal de abertura/fecho de fluidos, utilize os exemplos abaixo para restringir as suas opções e, em seguida, consulte as fichas técnicas da válvula e do atuador. Os cálculos e os cenários de aplicação são meramente ilustrativos, não constituindo resultados de ensaios de campo.
Como funcionam as válvulas de esfera e as válvulas solenóides
Uma válvula de esfera controla o caudal através da rotação de uma esfera com um orifício; uma válvula solenóide utiliza um mecanismo eletromagnético. O atuador e o design interno determinam a rapidez com que cada válvula se move, a quantidade de fluido que deixa passar e as condições a que pode ser submetida.
Válvulas de esfera: percurso do fluxo de um quarto de volta
Uma válvula de esfera abre-se quando o orifício da esfera fica alinhado com o tubo e fecha-se quando a esfera gira 90 graus. Uma alavanca ou um atuador fornece a força de rotação.
É comum encontrar duas configurações de diâmetro interior:
- Porto completo: A abertura tem aproximadamente o mesmo diâmetro do tubo ligado, o que ajuda a limitar a perda de pressão. O guia da ZECO sobre válvulas de esfera de passagem total explica esta configuração do furo.
- Porto reduzido: A abertura é mais pequena, o que pode reduzir os custos e as dimensões, ao mesmo tempo que aumenta a restrição do caudal.
Ambas as configurações provocam alguma perda de pressão. Verifique o coeficiente de caudal indicado para saber se a válvula consegue permitir o caudal de que necessita; o tamanho da ligação, por si só, não é suficiente para o determinar.
Um válvula de esfera elétrica utiliza um motor, enquanto um atuador pneumático utiliza ar comprimido. A sua velocidade, limites de funcionamento e comportamento em caso de falha no abastecimento podem diferir substancialmente.
Válvulas solenóides: funcionamento direto ou assistido por pressão
Uma válvula solenóide utiliza um campo magnético para mover um êmbolo ou outro elemento interno. Num modelo de ação direta, esse movimento aciona diretamente a abertura de fluxo; num modelo pilotado, controla uma pequena passagem que ajuda a mover o elemento de vedação principal.
A Bürkert distingue as válvulas solenóides de ação direta e as servoassistidas pela forma como utilizam a força magnética e a pressão do fluido. Muitas válvulas pilotadas necessitam de uma diferença mínima de pressão entre a entrada e a saída para funcionarem corretamente.
Uma válvula pode encaixar no tubo e ter a tensão adequada, mas mesmo assim não abrir corretamente num depósito alimentado por gravidade. Um modelo de ação direta ou com especificações adequadas de diferencial zero pode resolver esse problema, desde que tenha capacidade de caudal suficiente.
Compare as especificações que afetam o seu sistema
Comece por analisar a capacidade de caudal, o diferencial de pressão, o tempo de resposta, o consumo de energia e a posição de falha. Estas especificações permitem determinar se uma determinada válvula é adequada para a aplicação. As afirmações de que uma determinada família de válvulas é sempre mais rápida, mais resistente ou mais fiável omitem demasiados aspetos.
Caudal e queda de pressão
Uma válvula de esfera de passagem total é frequentemente adequada para aplicações em que a manutenção do caudal e a limitação da queda de pressão são prioridades. Para qualquer um dos tipos de válvula, utilize Cv ou Kv para comparar a capacidade de caudal real.
Estes coeficientes descrevem a quantidade de fluido que uma válvula pode deixar passar em condições definidas. Não se trata de valores intercambiáveis, pelo que é necessário manter a consistência das unidades.
Para um exemplo simplificado de fluxo de água sem cavitação:
Queda de pressão em psi ≈ (caudal em galões americanos por minuto ÷ Cv)².
Suponha que o seu sistema necessite de 10 galões americanos por minuto:
- Uma válvula com Cv = 5 produz uma queda de pressão de aproximadamente 4 psi.
- Uma válvula com Cv = 10 produz uma queda de pressão de aproximadamente 1 psi.
Estes valores calculados ilustram a diferença; não se trata de classificações relativas a um produto específico. Duas válvulas com ligações de tubagem idênticas podem ter capacidades de caudal muito diferentes.
Utilize o método de dimensionamento do fabricante para o fluido e as condições reais. A calculadora de Cv da Swagelok tem em conta parâmetros como o fluido, a pressão de entrada e de saída e a temperatura. As aplicações com gás, líquidos viscosos e em condições de cavitação requerem mais do que o simples exemplo da água acima referido.
Pressão de funcionamento e diferencial mínimo
Verifique tanto a pressão nominal como a diferença de pressão necessária na válvula. Uma válvula pode estar classificada para a pressão máxima de entrada e, mesmo assim, não funcionar quando as pressões de entrada e de saída forem muito próximas.
Considere um depósito que se esvazia gradualmente. Uma válvula solenóide pilotada pode funcionar enquanto o depósito estiver cheio, mas tornar-se pouco fiável à medida que a diferença de pressão desce abaixo do mínimo especificado.
Uma válvula de esfera motorizada não necessita desse diferencial para rodar. No entanto, necessita de um binário do atuador suficiente para funcionar, tendo em conta a pressão real, o atrito da sede e as condições do processo.
Ambas as famílias incluem produtos especializados para alta pressão, pelo que uma válvula de esfera não tem, automaticamente, a classificação mais elevada. Compare as classificações exatas de pressão e temperatura, a pressão diferencial admissível e as restrições relativas ao sentido do fluxo.
Velocidade de comutação e golpe de aríete
Muitas válvulas solenóides são adequadas para comutação rápida, enquanto os tempos de curso das válvulas de esfera elétricas variam consideravelmente. A opção mais rápida só é útil se o seu processo e a sua tubagem a suportarem.
A ficha técnica do atuador para válvulas de esfera LR24A-SR da Belimo, por exemplo, indica um tempo de funcionamento de 90 segundos para um curso de 90 graus. Não seria possível utilizar esse atuador num processo que exija um curso completo em poucos segundos.
Numa linha de líquido, as variações bruscas de caudal podem provocar martelo hidráulico, um pico de pressão que sujeita a tubagem e os componentes a esforços. Um solenóide de fecho rápido pode contribuir para isso. O mesmo se aplica a uma válvula de esfera manual ou pneumática de acionamento rápido.
O Orientações da Universidade da Flórida sobre o golpe de aríete em sistemas de irrigação explica como as variações bruscas no caudal criam ondas de pressão. Recomenda-se a escolha de tubagem capaz de suportar a pressão de funcionamento mais o pico de pressão previsto, tendo em conta os efeitos da temperatura.
Um fecho mais lento pode ajudar, mas o tempo total de curso do atuador não indica exatamente como o caudal varia quando a válvula está prestes a fechar. O guia da Bürkert sobre o golpe de aríete também descreve modelos de válvulas solenóides que utilizam um fecho suave do diafragma para reduzir o problema.
No caso de uma instalação sensível a picos de pressão, analise em conjunto o comportamento de fecho, a velocidade do fluxo, o comprimento da tubagem e as medidas de controlo de picos de pressão.
Consumo de energia e tempo de retenção
As válvulas solenóides convencionais necessitam, normalmente, de alimentação elétrica contínua na sua posição ativada. Algumas válvulas de esfera motorizadas deixam de consumir energia do motor após atingirem a posição comandada, embora os controlos, os aquecedores ou outros componentes possam continuar a consumir eletricidade.
A orientação da Hunter sobre os solenóides com bloqueio DC explica que um controlador alimentado a bateria envia um impulso breve para acionar o solenóide. Um design com bloqueio não segue, portanto, a regra habitual de alimentação contínua da bobina.
O atuador Belimo acima referido indica um consumo de 0,4 W em repouso, valor que deve ser incluído no cálculo energético, mesmo quando o motor não está a funcionar.
Uma bobina hipotética de 8 W, mantida continuamente ligada durante um dia de 24 horas, consome:
8 × 24 ÷ 1 000 = 0,192 kWh por dia.
Multiplique esse valor pelos seus dias de funcionamento efetivos e pela tarifa de eletricidade. Em seguida, tenha em conta a energia de comutação e as cargas em modo de espera ao comparar alternativas. No caso dos sistemas pneumáticos, inclua o custo do fornecimento de ar comprimido.
Posição em caso de falha de alimentação e funcionamento à prova de falhas
Especifique se o fluxo deve parar, continuar ou permanecer inalterado em caso de falha de energia. O nome da válvula, por si só, não garante esse comportamento.
Um convencional válvula solenóide normalmente fechada foi concebida para fechar quando desenergizada; uma versão normalmente aberta foi concebida para abrir. Ambas têm, ainda assim, de funcionar dentro das condições especificadas, e a contaminação ou falhas mecânicas podem impedir a ação pretendida.
Um solenóide de bloqueio pode permanecer no seu último estado. Um atuador elétrico normal também pode permanecer na posição em que se encontra quando a alimentação é interrompida.
Se uma válvula de esfera tiver de se deslocar para uma posição de falha definida, especifique um atuador de retorno por mola ou de energia armazenada adequado. Verifique o comportamento do conjunto completo em caso de falha elétrica, perda do sinal de controlo e perda de ar comprimido, quando aplicável.
No caso de um desligamento de segurança, verifique as aprovações necessárias e o desempenho ao nível do sistema. A designação “normalmente fechado”, por si só, não constitui uma certificação de segurança.
Escolha a válvula adequada ao fluido e ao plano de manutenção
A compatibilidade química, a contaminação, a temperatura e o acesso para manutenção podem influenciar a vida útil de forma mais significativa do que a escolha entre mecanismos de esfera e solenóides. Verifique todos os componentes em contacto com o fluido, incluindo sedes, vedantes, diafragmas e peças metálicas internas.
O facto de uma válvula ter um corpo em aço inoxidável não significa, por si só, que seja adequada para todos os produtos químicos. O EPDM, o NBR, o FKM e o PTFE têm limites diferentes, e a compatibilidade pode variar consoante a concentração e a temperatura.
Visão geral da ZECO sobre materiais da sede da válvula de esfera é um ponto de partida útil para comparar opções de sedes macias. Verifique se a classe selecionada está de acordo com os parâmetros de pressão e temperatura da válvula completa e com as características químicas do seu fluido.
A água suja coloca um desafio diferente. As pequenas passagens de comando do solenóide podem ficar obstruídas, enquanto as partículas presentes numa superfície de vedação podem causar fugas. Um filtro adequado pode ajudar, mas acarreta a sua própria queda de pressão e a necessidade de limpeza.
As válvulas de esfera de passagem total podem lidar com alguns fluidos que contêm partículas, mas os sólidos abrasivos podem danificar as sedes e o material pode acumular-se nas cavidades do corpo da válvula. Continuam a necessitar de um plano de manutenção, mesmo que a descrição do produto as denomine “autolimpantes”.”
No caso de pastas, fluidos viscosos ou processamento higiénico, solicite um modelo especificamente concebido para essa aplicação. Uma válvula de uso geral pode não ser adequada, independentemente do seu mecanismo de funcionamento.
Eu verificaria o acesso para manutenção antes de comprar. Deixe espaço suficiente para efetuar a manutenção da bobina, do atuador, das juntas e do filtro próximo, sem ter de desmontar uma grande secção da tubagem.
Escolha a forma como o seu sistema funciona
Um solenóide compacto é frequentemente adequado para a comutação frequente de fluidos limpos, enquanto uma válvula de esfera acionada de passagem total é frequentemente adequada para o isolamento com perda de pressão limitada. O tempo durante o qual a válvula permanece aberta e a frequência com que se move podem influenciar a escolha.
Uma pequena máquina que muda frequentemente
Uma válvula solenóide constitui um bom ponto de partida quando uma máquina necessita de um controlo rápido e repetido de abertura e fecho de ar limpo ou de um líquido compatível. Verifique o tempo de resposta, a capacidade nominal de ciclos, o tempo de funcionamento da bobina e o diferencial de pressão disponível.
Suponhamos que uma máquina necessite de breves jatos de ar. Uma válvula solenóide direcional compacta pode satisfazer os requisitos de temporização e encaminhar ou expelir o ar, conforme necessário.
No que diz respeito à dosagem de líquidos, a rápida comutação, por si só, não garante uma dose precisa. As variações de pressão, o caudal e os atrasos na abertura e no fecho também afetam o volume administrado.
Uma torneira que fica aberta durante horas
Vale a pena considerar uma válvula de esfera motorizada de passagem total quando uma conduta de água permanece aberta durante longos períodos e a perda de pressão é um fator importante. Especifique a homologação para água potável, se necessário, a proteção adequada do invólucro e a posição desejada em caso de falha de alimentação.
Para o serviço de água potável nos EUA, consulte o Requisitos da EPA relativos a instalações hidráulicas sem chumbo e a certificação do produto. No caso de tubos, acessórios e equipamentos abrangidos, “sem chumbo” significa um teor médio ponderado de chumbo não superior a 0,25% nas superfícies em contacto com o líquido. Este requisito é independente da classificação de pressão da válvula; não se aplica da mesma forma a produtos isentos utilizados exclusivamente para serviços não potáveis.
No que diz respeito à irrigação, as válvulas de diafragma solenóides concebidas especificamente para este fim também merecem ser tidas em conta. Podem oferecer controlos compatíveis e uma capacidade de caudal adequada, enquanto os modelos com bloqueio são adequados para algumas instalações alimentadas a bateria.
Verifique também a interface de controlo. É possível que a saída de um controlador de rega não acione diretamente um atuador motorizado, mesmo que as suas tensões nominais pareçam semelhantes.
Um processo que desvia o fluxo a cada 10 segundos
A desvio frequente exige a verificação da disposição das portas, do comportamento de transição e do ciclo de funcionamento do atuador antes de se optar por qualquer uma das famílias de válvulas. Uma ligação de três vias, por si só, não indica como o fluxo se altera entre as saídas.
Se o comando mudar a cada 10 segundos, o conjunto faz 360 transições por hora. Um atuador que demora vários segundos por movimento pode passar uma parte substancial dessa hora em funcionamento.
Verifique se a válvula bloqueia momentaneamente ambas as saídas ou se as liga durante o curso. Isso é importante se a bomba não suportar uma descarga bloqueada ou se os dois fluxos tiverem de permanecer separados.
Uma válvula solenóide adequada ou um conjunto de válvula de esfera pneumática podem satisfazer este requisito. Um atuador elétrico também pode ser utilizado, desde que a sua velocidade, capacidade de ciclos e limites de funcionamento sejam adequados à aplicação.
O que deve fornecer ao seu fornecedor antes de fazer a encomenda
Forneça ao fornecedor as condições de funcionamento e o comportamento de controlo exigido, para que possa selecionar a válvula e o atuador adequados. Inclua os seguintes detalhes, juntamente com o diâmetro da tubagem e a tensão:
- Identifique o líquido ou gás, a sua concentração e viscosidade, bem como qualquer contaminação prevista.
- Incluir os limites de temperatura do fluido e da temperatura ambiente.
- Indique a pressão mínima e máxima de entrada, a pressão de saída e os transientes previstos.
- Indique o caudal necessário e a queda de pressão admissível.
- Defina o controlo de ligar/desligar, de desvio ou de modulação, bem como os tempos de abertura e fecho necessários.
- Especifique as transições por hora, o horário de funcionamento e os períodos de retenção prolongados.
- Indique a posição exigida após uma falha de alimentação, de sinal ou de fornecimento de ar.
- Verifique as ligações, o sentido do fluxo, a orientação, a tensão, a interface de controlo e o espaço de manutenção.
- Identificar os requisitos de homologação aplicáveis em matéria de água potável, gás, áreas de risco, contacto com alimentos ou outros.
Compare os custos de instalação assim que tiver opções adequadas. Inclua a cablagem, os controlos, a filtragem, o fornecimento de ar, a energia, as peças sobressalentes e a mão-de-obra de manutenção. Uma válvula mais barata pode acabar por sair mais cara em termos de funcionamento e manutenção se não for adequada à aplicação.
Perguntas frequentes sobre a seleção de válvulas
Em alguns sistemas, é possível substituir um tipo de válvula por outro, mas a válvula de substituição deve cumprir os mesmos requisitos em termos de caudal, pressão, controlo e falhas. A vida útil e a capacidade de regulação também dependem do projeto específico.
Uma válvula solenóide pode substituir uma válvula de esfera?
Sim, desde que cumpra os requisitos relativos à capacidade de caudal, à gama de pressão, à compatibilidade com o fluido, à função de controlo e ao comportamento em caso de falha. Não basta apenas que o tamanho da rosca seja compatível.
Tenha também em conta o isolamento para manutenção. Uma válvula de comando elétrico pode não proporcionar o isolamento manual e bloqueável exigido pelos seus procedimentos.
Qual das válvulas tem maior durabilidade?
Nenhuma das duas famílias de válvulas apresenta uma vantagem universal em termos de vida útil. A contaminação, a temperatura, a pressão, a frequência de comutação, a instalação e a manutenção são fatores que influenciam o resultado.
Solicite informações sobre a vida útil em condições comparáveis. No caso de uma válvula de esfera automática, avalie o atuador e o corpo da válvula em conjunto; qualquer um deles pode limitar a vida útil do conjunto.
Estas válvulas conseguem regular o caudal?
As versões especializadas podem regular o caudal, mas não se deve partir do princípio de que os modelos comuns do tipo «ligado/desligado» são adequados para a regulação contínua do caudal. A Válvula de esfera com passagem em V Um atuador modulador adequado ou uma válvula solenóide proporcional podem ser adequados para essa tarefa.
Confirme a controlabilidade, os limites de queda de pressão e a gama de caudal necessária. O simples facto de deixar uma válvula de esfera padrão parcialmente aberta não significa que se trate de uma válvula de controlo devidamente dimensionada.
Uma válvula de esfera e uma válvula solenóide podem funcionar em conjunto?
Sim. Uma válvula solenóide pode encaminhar ar comprimido para um atuador pneumático que aciona uma válvula de esfera.
Este sistema combina o controlo elétrico com o acionamento pneumático. Continua a exigir um dimensionamento coordenado, uma qualidade do ar adequada e uma posição de falha definida para o conjunto completo.
Escolha de acordo com as suas condições de funcionamento
Comece por uma válvula solenóide para uma comutação compacta e rápida de um fluido compatível; opte por uma válvula de esfera acionada quando a capacidade de caudal, o isolamento e os longos períodos de retenção forem os requisitos prioritários. Em seguida, verifique se as especificações reais do produto correspondem ao seu sistema.
Antes de comparar preços, anotaria o caudal necessário, o diferencial de pressão disponível, a frequência de comutação e a posição de falha pretendida. Utilizaria esses requisitos para excluir conjuntos inadequados e, em seguida, verificaria se é possível instalar as opções restantes no espaço disponível.
Guarde essa especificação junto com as fichas técnicas do produto quando fizer a comparação final.
