A principal diferença em Válvula de esfera vs. válvula de diafragma É assim que impedem o fluxo: uma válvula de esfera faz rodar uma esfera com um orifício no centro, enquanto uma válvula de diafragma pressiona uma membrana flexível contra uma sede. Opte por uma válvula de esfera para um isolamento de baixa resistência e aplicações adequadas a alta pressão; opte por uma válvula de diafragma quando a prioridade for separar o mecanismo de comando do fluido, o processamento higiénico ou a compatibilidade com produtos químicos.
| Fator de seleção | Válvula de esfera | Válvula de diafragma |
|---|---|---|
| Mecanismo de fecho | Uma bola com furo gira 90 graus. | Um diafragma desloca-se para cima de um vertedouro ou de uma sede de válvula. |
| Resistência típica | Isolamento de abertura/fecho com elevada capacidade de caudal. | Isolamento do fluido da haste e do mecanismo de funcionamento. |
| Regulação do caudal | Utilize uma versão de controlo especificamente concebida para a regulação contínua do fluxo. | Os projetos adequados podem regular o caudal; o dimensionamento e a seleção do atuador são importantes. |
| Pressão e temperatura | Estão disponíveis versões para alta pressão e temperaturas extremas. | As versões convencionais dos processos são frequentemente limitadas pelos materiais do diafragma e do corpo. |
| Perda de pressão | Um design de passagem total oferece, normalmente, baixa resistência quando está totalmente aberto. | Depende da geometria; um açude, em geral, aumenta a resistência ao fluxo. |
| Serviço de higiene | Existem modelos sanitários especiais; a limpeza das cavidades requer atenção. | Amplamente utilizado em sistemas assépticos, quando devidamente especificado e instalado. |
| Sólidos e pasta | Os projetos especializados permitem o manuseamento de sólidos; as sedes e cavidades devem ser analisadas. | Os modelos de fluxo direto podem ser adequados para suspensões; as partículas abrasivas podem danificar o diafragma. |
| Foco na manutenção | Sedes, vedantes da haste, vedantes do corpo, esfera e atuador. | Estado do diafragma, superfícies de vedação, elementos de fixação e atuador. |
Considere esta tabela como uma lista de opções pré-selecionadas. A escolha final depende do tipo exato de válvula, dos materiais e das condições de funcionamento.
Uma conduta de água de serviço geral e uma conduta de produtos esterilizados podem ter o mesmo diâmetro de tubagem, mas necessitar de válvulas muito diferentes. Comece por analisar a função que a válvula deve desempenhar.
Como funcionam as válvulas de esfera e as válvulas de diafragma
As válvulas de esfera controlam o fluxo através de um movimento rotativo; as válvulas de diafragma utilizam uma barreira flexível que se aproxima ou se afasta de uma superfície de vedação. Essa diferença afeta a resistência ao fluxo, a limpeza e os componentes que entram em contacto com o fluido de processo.
Válvulas de esfera: basta um quarto de volta para abrir ou fechar o percurso do fluxo
Uma válvula de esfera abre quando o orifício na esfera fica alinhado com o tubo e fecha quando a esfera roda, bloqueando o caminho do fluxo. O ângulo de rotação entre a posição totalmente aberta e a posição totalmente fechada é normalmente de 90 graus.
A válvula de esfera de passagem total possui um diâmetro interno dimensionado para proporcionar uma passagem relativamente desobstruída. Uma versão com orifício reduzido tem uma abertura mais pequena, o que altera a sua capacidade de caudal e a perda de pressão. O guia da ZECO sobre válvulas de esfera de passagem total e de passagem reduzida explica estas diferenças de construção.
O fluido entra em contacto com o corpo, a esfera, as sedes e outros componentes em contacto com o fluido. As vedações da haste ajudam a impedir que o fluido escape à volta do eixo que faz girar a esfera.
Este design torna a válvula de esfera uma excelente opção inicial para água potável, ar comprimido e muitas aplicações industriais de isolamento. Os materiais e as especificações têm, no entanto, de ser adequados à aplicação.
Da ZECO gama de válvulas de esfera industriais apresenta exemplos de configurações flutuantes, montadas em munhão e outras, para que possa comparar depois de ter definido a função.
Válvulas de diafragma: uma barreira flexível sela a passagem
Uma válvula de diafragma fecha quando o seu atuador ou volante empurra um diafragma contra a superfície de vedação do corpo da válvula. O diafragma separa o fluido de processo da haste e do mecanismo de comando durante o funcionamento normal.
O corpo ou o revestimento do corpo continua em contacto com o líquido. Um diafragma resistente a produtos químicos não consegue proteger um corpo em contacto com o fluido que seja incompatível.
Vale a pena conhecer dois projetos de processos comuns:
- Válvulas de diafragma tipo Weir encaixam-se contra uma saliência no interior do corpo. As versões adequadas permitem o corte do fluxo e a regulação do caudal.
- Válvulas de diafragma de passagem direta proporcionam uma passagem mais aberta e podem ser adequadas para fluidos viscosos ou pastas, dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante.
Este guia centra-se nestas válvulas de processo. As válvulas especializadas com diafragma metálico utilizadas em sistemas de gás de alta pureza apresentam uma construção e limites operacionais diferentes.
Qual é a melhor válvula para o corte e o controlo do caudal?
Uma válvula de esfera padrão é, normalmente, uma boa opção para o isolamento do tipo «ligado/desligado», enquanto uma válvula de diafragma com as dimensões adequadas pode assegurar tanto o corte do fluxo como a modulação. Para um controlo de caudal exigente, compare os modelos concretos de válvulas de controlo e as respetivas curvas de desempenho.
Para o isolamento, comece por uma válvula de esfera
Uma válvula de esfera permite um fecho simples e, num modelo de passagem total, apresenta baixa resistência quando está totalmente aberta. Essa combinação é útil quando a válvula passa a maior parte do tempo totalmente aberta ou totalmente fechada.
Imagine uma derivação de água de arrefecimento que precise de ser isolada durante a manutenção. Pretende-se um caudal adequado durante a produção e um fecho fiável durante uma paragem. Uma válvula de esfera com as características técnicas adequadas costuma ser a solução ideal para essa tarefa.
No entanto, o fecho rápido nem sempre é o objetivo. Fechar uma conduta de líquido demasiado depressa pode provocar um pico de pressão, frequentemente designado por «golpe de aríete». Selecione a velocidade de fecho adequada para o sistema de tubagem.
Além disso, o facto de a válvula estar fechada não significa que o equipamento a jusante esteja despressurizado. Os procedimentos de isolamento e verificação continuam a ser aplicáveis.
Para a regulação do caudal, verifique a gama de funcionamento prevista para a válvula
Uma válvula de diafragma pode regular o caudal quando o seu diafragma, a geometria do corpo e o atuador se adequam à aplicação pretendida. Uma válvula de esferas de isolamento padrão não deve ser utilizada automaticamente para a regulação contínua do caudal, uma vez que a elevada velocidade local pode danificar as suas sedes e superfícies de vedação.
Há uma exceção importante: válvulas de esfera concebidas especificamente para controlo.
Por exemplo, o de Emerson Válvula de controlo Fisher Vee-Ball V150 utiliza uma esfera contornada para proporcionar uma característica de caudal de percentagem igual modificada. Trata-se de uma característica de controlo deliberada.
Pergunte ao fornecedor qual é a gama de caudais utilizáveis, a pressão diferencial permitida e o desempenho de regulação. Uma válvula que permita o caudal máximo pode, mesmo assim, apresentar um desempenho insatisfatório no seu caudal mínimo.
Comparar a pressão e a temperatura ao mesmo tempo
As válvulas de esfera estão disponíveis para pressões substancialmente mais elevadas do que muitas válvulas de diafragma convencionais de processo, mas nenhuma das duas famílias de válvulas possui uma classificação universal. A pressão aprovada depende da temperatura, do tamanho, dos materiais, das ligações e da configuração.
Dois exemplos de fabricantes ilustram bem esta situação:
- O Gama de produtos Swagelok Série 60 inclui opções de válvulas de esfera com pressões nominais até 3 000 psig (206 bar).
- O Página do produto GEMÜ 650 BioStar listas 0–10 bar pressão de funcionamento, de −30 a 130 °C temperatura do meio e uma temperatura máxima de esterilização distinta de 150 °C.
Trata-se de resumos de famílias de produtos, e não de parâmetros operacionais intercambiáveis. Isso não significa que todas as configurações suportem todos os valores máximos indicados ao mesmo tempo.
Para a sua aplicação, obtenha a curva de pressão-temperatura específica para esse conjunto. Inclua as fases de arranque, paragem, limpeza, exposição ao vapor e possíveis condições de vácuo.
Dica profissional: Indique as condições normais de funcionamento e as condições de limpeza em linhas separadas na especificação da válvula. Uma válvula pode ser adequada para o produto e, mesmo assim, não ser adequada para o ciclo de limpeza.
Comparar a queda de pressão utilizando a capacidade de caudal
Uma válvula de esfera de passagem total e totalmente aberta oferece, normalmente, uma baixa queda de pressão, enquanto uma válvula de diafragma do tipo barragem costuma criar mais resistência. Utilize o coeficiente de caudal indicado pelo fabricante, Cv ou Kv, para comparar válvulas específicas com o caudal de que necessita.
O tamanho do tubo, por si só, não é informação suficiente.
Duas válvulas com ligações idênticas podem ter passagens internas diferentes. Uma pode permitir o fluxo pretendido sem problemas. A outra pode consumir demasiada pressão disponível.
Eis um exemplo simplificado para a água, utilizando dados hipotéticos relativos às válvulas:
- Caudal necessário: 20 galões americanos por minuto.
- Válvula A: Cv = 20.
- Válvula B: Cv = 10.
Para um fluxo de água turbulento e não restrito, com densidade aproximada de 1, a relação básica é queda de pressão em psi = (caudal em gpm dos EUA ÷ Cv)².
A válvula A fornece aproximadamente 1 psi de queda de pressão. A válvula B proporciona aproximadamente 4 psi com o mesmo caudal.
Essa diferença de quatro vezes resulta dos valores de Cv assumidos. Não se trata de uma afirmação sobre o desempenho, baseada em medições, relativa a todas as válvulas de esfera ou de diafragma.
Utilize um método de dimensionamento adequado ao seu fluido. A Swagelok’s Calculadora de CV distingue os cálculos relativos a líquidos e gases e tem em conta entradas adicionais do processo. Os líquidos viscosos, a evaporação instantânea, a cavitação e os gases compressíveis requerem mais do que o simples exemplo da água.
No caso de uma válvula de controlo, verifique também o desempenho em abertura parcial. O maior valor de Cv disponível não é, automaticamente, a melhor escolha para uma regulação estável.
Combinar os materiais com os produtos químicos, os sólidos e os líquidos de limpeza
A compatibilidade química depende de cada material em contacto com o fluido e das condições reais de exposição. Nem o aço inoxidável nem um diafragma de PTFE tornam uma válvula adequada para qualquer produto químico.
Fluidos corrosivos: Verifique todo o conjunto em contacto com o fluido
Uma válvula de diafragma revestida pode ser uma boa opção para aplicações corrosivas quando tanto o seu revestimento como o diafragma são compatíveis com o fluido. As válvulas de esfera também podem lidar com produtos químicos corrosivos, desde que sejam utilizadas ligas, polímeros, revestimentos e vedantes adequados.
Anote o nome químico, a concentração, a temperatura, a pressão e os contaminantes antes de comparar os materiais. Inclua os produtos químicos de limpeza e quaisquer misturas que se formem durante as trocas de produção.
As opções de diafragma e vedante podem incluir EPDM, PTFE e FKM, mas essas designações são apenas um ponto de partida. A composição do composto, as camadas de suporte, a permeabilidade e a flexão repetida podem afetar a adequação do material.
Recomendo que se solicite uma confirmação por escrito da compatibilidade para toda a configuração da válvula. Uma tabela geral de resistência química ajuda a selecionar os materiais; no entanto, não abrange todas as condições de funcionamento.
Pastas e líquidos viscosos: analise a passagem e os pontos de desgaste
Uma válvula de diafragma de passagem direta pode ser adequada para certas pastas, enquanto uma válvula de esfera de passagem total, devidamente concebida, pode lidar com fluidos viscosos ou que contenham partículas. O tamanho, a dureza, a forma, a concentração e a velocidade das partículas determinam qual o modelo que merece uma análise mais aprofundada.
As partículas pontiagudas podem danificar um diafragma. Os sólidos também podem acumular-se à volta das sedes das válvulas de esfera ou interferir com o seu fecho.
Para condições de funcionamento abrasivas ou a temperaturas mais elevadas, válvulas de esfera com sede metálica são outro projeto a avaliar. Confirme o revestimento da esfera, os materiais das sedes, os requisitos de estanqueidade e os limites de funcionamento para o fluido em questão.
As perguntas úteis são de natureza prática: As partículas conseguem passar? Os sólidos irão assentar quando o fluxo parar? A válvula consegue fechar depois de o material ter ficado parado na conduta?
No caso de produtos espessos, avalie também a limpeza e a recuperação do produto. Uma válvula de passagem total pode permitir pigmentação, em que um dispositivo percorre o tubo para expelir o produto residual, desde que todo o sistema de tubagem tenha sido concebido para o efeito.
Qual é a válvula mais adequada para o processamento higiénico e asséptico?
Uma válvula de diafragma sanitária é frequentemente uma excelente opção para o processamento asséptico, uma vez que o seu diafragma separa o mecanismo de funcionamento do produto. Também existem válvulas de esfera higiénicas, cuja adequação depende da facilidade de limpeza, da facilidade de drenagem, dos materiais e do processo validado.
Uma válvula de diafragma, por si só, não garante a esterilidade.
Para uma aplicação farmacêutica ou alimentar, consulte:
- Acabamento da superfície em contacto com o líquido e rastreabilidade do material.
- Documentação relativa ao diafragma e à vedação.
- Capacidade de drenagem na orientação em que está instalado.
- Fendas, ramificações sem fluxo e produto retido.
- Compatibilidade com limpeza no local (CIP) e vapor no local (SIP) procedimentos.
- Certificações de higiene aplicáveis e o seu âmbito de aplicação para a configuração específica.
A GEMÜ indica que o modelo 650 BioStar é compatível com CIP/SIP. No entanto, é necessário confirmar os materiais selecionados e as condições de limpeza permitidas.
As válvulas de esfera merecem aqui uma avaliação justa. A Alfa Laval’s Válvula de esfera sanitária SBV foi concebida para aplicações higiénicas e oferece opções como sedes encapsuladas e ligações para limpeza da sede da válvula.
Esse produto constitui uma razão clara para refutar a afirmação de que as válvulas de esfera nunca podem ser utilizadas no processamento alimentar ou farmacêutico.
Adquira uma capacidade de limpeza comprovada para o seu processo. Uma declaração de conformidade dos materiais, por si só, não valida toda a instalação de uma válvula nem comprova que um ciclo de limpeza funcione.
Comparar os custos de manutenção e o custo total de propriedade
Tanto as válvulas de esfera como as válvulas de diafragma necessitam de manutenção, e nenhuma delas apresenta uma vantagem universal em termos de vida útil. Compare as peças de desgaste efetivas, os requisitos de acesso, as condições de funcionamento e o custo de colocar a linha fora de serviço.
Um diafragma é um componente sujeito a desgaste. A corrosão química, a flexão, as variações de temperatura e a instalação podem afetar a sua vida útil. Defina os intervalos de inspeção e substituição seguindo as orientações do fabricante e com base nos seus registos operacionais.
As válvulas de esfera podem necessitar da substituição da sede, da gaxeta, da vedação da haste ou da vedação do corpo. A capacidade de reparação varia: algumas modelos de válvulas de esfera de três peças proporcionam um acesso prático, enquanto outras construções exigem uma remoção ou substituição mais abrangente.
Não se deve partir do princípio de que a substituição do diafragma demora sempre apenas alguns minutos. O processo completo pode incluir o isolamento, a drenagem, a descontaminação, a remontagem, o teste de estanqueidade e a requalificação do processo.
Utilize esta comparação:
Custo total de propriedade = compra e instalação + peças de manutenção e mão-de-obra + tempo de inatividade + limpeza e validação + custos de energia.
Para serviços de utilidades gerais, uma válvula de esfera padrão pode ser uma opção económica. No caso de um processo higiénico crítico, o acesso para inspeção e uma limpeza fiável podem justificar a utilização de um conjunto mais dispendioso.
Compare especificações equivalentes. Uma pequena válvula manual de latão e uma válvula sanitária automática resolvem problemas diferentes, pelo que os seus preços pouco revelam sobre o valor relativo dos dois tipos de válvulas.
Escolha a válvula certa em cinco passos
Selecione a válvula documentando a função, verificando os materiais e as características técnicas, determinando o tamanho em função do caudal, confirmando o comportamento de controlo e analisando a manutenção. Esta sequência transforma uma comparação geral numa especificação que um fornecedor pode avaliar.
1. Definir o fluido e a tarefa
Registe o que flui através da válvula e se esta deve isolar, regular, desviar ou apoiar um processo de limpeza. Inclua a concentração química, a viscosidade, os sólidos e os requisitos de limpeza.
Para um isolamento simples da água potável, uma válvula de esfera é uma primeira opção sensata. Para um percurso asséptico do produto, comece por avaliar modelos de diafragma higiénicos e quaisquer alternativas adequadas.
2. Confirmar os materiais e o âmbito operacional completo
Verifique se todos os componentes em contacto com o fluido e as peças sob pressão são adequados à pressão, temperatura e produtos químicos especificados. Inclua condições anormais, mas plausíveis, identificadas na conceção do sistema.
Solicite a ficha técnica completa, a lista de materiais e os limites de pressão e temperatura. O título de um catálogo nunca deve ser o único fundamento para a escolha.
3. Dimensionamento para caudais mínimo, normal e máximo
Verifique a gama de caudal necessária em função dos dados de Cv ou Kv e da pressão diferencial disponível. Para funcionamento em modulação, confirme se a válvula consegue regular eficazmente nessa gama.
Este passo permite evitar um erro comum: escolher uma válvula de controlo apenas porque o diâmetro da sua ligação corresponde ao do tubo.
4. Especificar o comportamento de acionamento e de falha
Especifique se o funcionamento é manual, pneumático ou elétrico e o que a válvula deve fazer em caso de falha de ar ou de alimentação. Ambas as famílias de válvulas podem ser automatizadas.
Um atuador pneumático necessita de força ou binário adequados à pressão de ar disponível e à pior pressão diferencial de processo permitida. Especifique explicitamente se o comportamento deve ser de «falha em abertura», «falha em fecho» ou outro comportamento exigido; não o deduza a partir do tipo de válvula.
Da ZECO guia de válvulas de esfera pneumáticas explica as disposições dos atuadores e os acessórios, tais como válvulas solenóides, interruptores de fim de curso e posicionadores.
Inclua um sistema de retroalimentação de posição e um posicionador sempre que a função de controlo assim o exigir. A indicação de posição confirma o curso do atuador, não necessariamente o fecho estanque.
5. Verificar a limpeza, o acesso para manutenção e as peças sobressalentes
Certifique-se de que a válvula instalada pode ser limpa, inspecionada e submetida a manutenção dentro dos limites operacionais da unidade. Verifique se existe espaço suficiente para a remoção do atuador e para o acesso aos elementos de fixação antes da compra.
Informe-se sobre a disponibilidade de peças sobressalentes, as instruções para a substituição do diafragma ou da vedação e as verificações necessárias após a manutenção. Esses detalhes têm impacto no tempo de inatividade muito depois de o preço de compra inicial ter sido esquecido.
Três exemplos de aplicação que tornam a escolha mais clara
Funções diferentes levam a escolhas iniciais diferentes, mesmo dentro das mesmas instalações. Estes exemplos hipotéticos ilustram o processo de seleção; não se trata de estudos de caso reais de clientes.
Isolamento da água de arrefecimento
Uma válvula de esfera de passagem total com a classificação adequada é, muitas vezes, uma escolha prática para isolar um ramal de água de arrefecimento limpa. Proporciona um funcionamento simples e baixa resistência durante o fluxo normal.
Verifique as características químicas da água, a adequação da sede e a velocidade de fecho. Se a derivação também necessitar de uma regulação precisa, considere a utilização de uma válvula de controlo separada ou de uma válvula de esfera concebida para essa função.
Transferência asséptica de líquidos
Uma válvula de diafragma higiénica é frequentemente uma excelente opção para uma linha de transferência asséptica, quando o isolamento do produto, a capacidade de drenagem e a validação da limpeza são requisitos fundamentais.
Verifique a orientação da instalação, a documentação relativa aos materiais e os limites de CIP/SIP. É possível que a mesma instalação continue a utilizar válvulas de esfera nas linhas de serviços, uma vez que essas linhas têm requisitos diferentes.
Transferência de suspensões químicas
Uma válvula de diafragma de passagem direta revestida ou uma válvula de esfera especializada podem ser adequadas para uma pasta química, dependendo das condições de corrosão, abrasão e caudal.
Envie ao fornecedor os dados relativos às partículas e às substâncias químicas em conjunto. Resolver a questão da compatibilidade química sem ter em conta os sólidos de arestas vivas pode resultar numa válvula que resiste à corrosão, mas que se desgasta rapidamente.
Tome a sua decisão final com base no serviço propriamente dito
Opte por uma válvula de esfera quando os principais requisitos forem um isolamento fiável, elevada capacidade de caudal e uma classificação adequada de pressão e temperatura. Opte por uma válvula de diafragma quando for essencial para a aplicação isolar o mecanismo de funcionamento do fluido, garantir um processamento higiénico ou dispor de um percurso de fluxo revestido compatível.
Para o controlo contínuo do fluxo, compare as opções de controlo especificamente concebidas para o efeito. Para aplicações sanitárias, compare o desempenho de limpeza documentado. Para fluidos difíceis, avalie todo o conjunto em contacto com o fluido.
Se estiver a avaliar uma válvula de esfera para o seu projeto, contacte a ZECO e indique-nos os seus requisitos operacionais. Indique o fluido, o intervalo de caudal, a pressão, a temperatura, o diâmetro da ligação e os requisitos de acionamento, para que a configuração proposta possa ser avaliada em função das condições de funcionamento.
Confirme a configuração exata de acordo com as suas condições de funcionamento e, em seguida, compare os custos de manutenção e de propriedade. É assim que se faz uma escolha fundamentada em Válvula de esfera vs. válvula de diafragma.
