Capítulo 9: Válvulas de Controle de Fluxo

O Orifício

Um orifício é uma abertura relativamente pequena em um caminho de fluxo de fluido. O fluxo através de um orifício é influenciado por diversos fatores, sendo os três principais:

1. Tamanho do Orifício
2. Diferencial de pressão através do orifício
3. Temperatura do fluido

Efeito do tamanho do orifício sobre o fluxo

O tamanho do orifício controla o fluxo que passa por ele. Um exemplo comum do dia a dia é o bico de uma mangueira de jardim: se a abertura do bico for pequena, a água sai na forma de uma névoa fina ou spray; se a abertura for maior, transforma-se em um jato concentrado. Em ambos os casos, o orifício do bico da mangueira limita a direção do fluxo de água — o fluxo através do orifício é determinado pelo tamanho da abertura.

Figura 9-1: Válvula redutora de fluxo em um circuito. A válvula regula o fluxo para o cilindro. O fluxo excedente da bomba é desviado pela válvula de alívio. O fluxo restringido converte-se em energia potencial (velocidade) no orifício.

Orifício Fixo

Um orifício fixo possui um tamanho de abertura que não pode ser ajustado. Os exemplos mais comuns na tecnologia hidráulica são o furo perfurado em um tampão de tubo ou em uma válvula de retenção, ou a válvula de controle de vazão pré-ajustada na fábrica.

Orifício variável

Na maioria das vezes, um orifício variável é necessário em vez de um fixo, pois é mais adaptável. Válvulas de gaveta, válvulas esféricas e válvulas de agulha são todos exemplos de orifícios variáveis.

Válvula de gaveta

Uma válvula de gaveta possui uma passagem de fluxo em linha reta. O tamanho do orifício é alterado girando-se a alavanca para abrir ou fechar a gaveta no caminho do fluxo. Embora as válvulas de gaveta não sejam projetadas para controle de vazão, em alguns sistemas de medição aproximada de vazão elas podem ser utilizadas como dispositivos redutores de fluxo.

Valva de bola

As passagens de fluxo de uma válvula esférica não são retas — fazem uma curva de 90°. O orifício é constituído pelo assento e pelo tampão cônico ou pela esfera móvel na passagem giratória. O tamanho da abertura do orifício é ajustado alterando-se a posição da esfera móvel.

Válvula de Agulha

O fluxo através das válvulas de agulha também realiza uma curva de 90°, seguida pela passagem por um orifício. Esse orifício consiste na folga entre a haste da válvula com extremidade cônica e o assento da válvula. O tamanho do orifício é alterado ajustando-se a posição da face cônica em relação ao assento da válvula. Como as roscas de ajuste na haste da válvula são de passo fino e a ponta é cônica, essa variação no tamanho do orifício ocorre de forma gradual. Em sistemas hidráulicos, a válvula de agulha é o orifício variável mais frequentemente utilizado.

Figura 9-2 Tipos de orifícios variáveis. A válvula de agulha (abaixo) é a mais comum em aplicações hidráulicas — sua ponta cônica e suas roscas finas permitem um ajuste de vazão muito preciso e gradual.

Aplicação da válvula de agulha em um circuito

O circuito de exemplo utiliza uma bomba de deslocamento positivo de 5 gpm (18,95 L/min), uma válvula de alívio, uma válvula direcional, um orifício variável (válvula de agulha) e um cilindro hidráulico com área do pistão de 3 in² (19,35 cm²). Se a válvula de alívio for regulada para 500 psi (34,48 bar) e a bomba fornecer 5 gpm:

Com a válvula de agulha restringindo o fluxo para apenas 2 gpm (7,58 lpm), a velocidade da haste = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 pés/min (3,96 m/min). A válvula de alívio limita a pressão do sistema a 500 psi (34,48 bar), desviando os 3 gpm restantes (11,37 lpm) para o reservatório.

Abrir a abertura da válvula de agulha

Girar a válvula de agulha para fora aumenta a abertura — mais fluxo passa para o cilindro, até o limite de pressão da válvula de alívio. A velocidade da haste aumenta.

Fechar a abertura da válvula de agulha

Girar a válvula de agulha para dentro reduz a abertura. Menos fluxo entra no cilindro, portanto a velocidade da haste diminui.

Efeito da diferença de pressão sobre o fluxo

O fluxo através de uma abertura é afetado pela diferença de pressão. Como a pressão representa energia potencial em um sistema hidráulico, quanto maior a diferença de pressão através de uma abertura, maior será o fluxo que a atravessa.

Exemplo do cotidiano — colchão inflável

Após um dia na praia ou no acampamento, você remove o tampão de um colchão de ar inflado e deixa o ar escapar livremente. Como a diferença de pressão interna/externa é pequena, o colchão desinfla-se lentamente. Aperte firmemente o colchão — a pressão interna aumenta em relação à pressão atmosférica, a diferença de pressão cresce e o ar sai mais rapidamente.

Aperte suavemente um tubo de pasta de dentes — uma pequena quantidade sai. Aperte com força — mais pasta de dentes é expelida e pode cair no chão. Se o tubo de pasta de dentes for pisado, a diferença de pressão entre o interior e a pressão atmosférica é maior do que quando apertado manualmente, de modo que mais pasta de dentes sai mais rapidamente.

Efeito da diferença de pressão no fluxo da válvula de agulha em um circuito

No circuito mostrado, a válvula de agulha limita o fluxo da bomba de 5 gpm (18,95 L/min) para 3 gpm (11,37 L/min). Ajuste da válvula de alívio: 500 psi (34,48 bar). Resistência de carga: 200 psi (14 bar). A pressão de entrada na válvula de agulha equivale ao ajuste da válvula de alívio: 500 psi (34,48 bar). Destes 500 psi (34,48 bar), 200 psi (14 bar) vencem a resistência de carga; a diferença de pressão restante de 300 psi (21 bar) impulsiona 3 gpm (11,3 L/min) através da válvula de agulha, produzindo uma velocidade do êmbolo de 19,25 pés/min (5,87 m/min). Os 2 gpm restantes (7,58 L/min) passam pela válvula de alívio para o reservatório.

Aumentar o ajuste da válvula de alívio

Mantendo a pressão de carga e o ajuste da válvula de agulha inalterados, ao aumentar o ajuste da válvula de alívio para 600 psi (41,38 bar), a pressão de entrada na válvula de agulha torna-se 600 psi (41,38 bar). Destes, 200 psi (14 bar) vencem a carga; agora, uma diferença de pressão de 400 psi (28 bar) impulsiona 4 gpm (15 L/min) através da válvula de agulha. A velocidade do êmbolo aumenta para 26 pés/min (7,92 m/min).

A pressão de carga aumenta

Reajuste a válvula de alívio para 500 psi (34,48 bar), mantendo inalterada a válvula de agulha. Aumento da carga: a pressão de carga sobe para 400 psi (28 bar). A pressão de entrada na válvula de agulha permanece em 500 psi (34,48 bar), mas agora apenas uma diferença de pressão de 100 psi (6,9 bar) impulsiona o fluxo através da válvula de agulha — apenas 1 gpm (3,79 lpm). A velocidade do êmbolo cai para 6 pés/min (30 mm/s). Os 4 gpm restantes (15 lpm) desviam-se pela válvula de alívio.

Isso demonstra que o fluxo através de uma válvula de agulha varia com qualquer alteração de pressão em qualquer dos lados do orifício. Para dosar com precisão o fluxo através de uma válvula de agulha, essas variações de pressão devem ser anuladas ou compensadas.

Válvula de Controle de Velocidade (Válvula de Controle de Fluxo com Compensação de Pressão)

A partir dos exemplos acima, qualquer variação de pressão em qualquer dos lados do orifício afeta o fluxo da válvula de agulha, alterando a velocidade do atuador. Para dosar com precisão o fluxo através de um orifício, independentemente das variações de pressão, essas variações devem ser compensadas. A válvula de agulha é uma válvula redutora de fluxo não compensada — trata-se de um bom dispositivo para dosagem de fluxo, desde que a diferença de pressão permaneça constante e a agulha esteja bem centrada. Para um controle mais preciso de fluxo, deve-se utilizar uma válvula redutora de fluxo com compensação de pressão (válvula de controle de velocidade). Trata-se de um controlador de fluxo que compensa as variações de pressão a montante e a jusante do orifício.

As válvulas de controle de velocidade (válvulas redutoras de fluxo com compensação de pressão) podem ser divididas nos tipos entrada e derivação.

Construção da válvula de controle de velocidade tipo entrada

A válvula redutora de fluxo com compensação de pressão tipo entrada é composta por um corpo de válvula com orifícios de entrada e saída, uma válvula de agulha, um êmbolo compensador e uma mola de pré-carga.

Funcionamento do tipo entrada

Para compreender como funciona o tipo de entrada por medição, analisamos seu funcionamento passo a passo. Quando a válvula compensadora está totalmente deslocada para o lado A, todo o óleo sob pressão de entrada atinge a abertura da válvula de agulha. Enquanto a válvula compensadora se desloca ligeiramente em direção ao lado B, o óleo sob pressão de entrada é estrangulado. Para manter a passagem de fluxo aberta, a válvula compensadora é mantida por mola na direção do lado A. A pressão na entrada da válvula de agulha é detectada por meio de um canal interno de controle até a extremidade A da válvula compensadora — quando a pressão ultrapassa a força de pré-carga da mola, a válvula se desloca em direção ao lado B.

Se a abertura da válvula de agulha for ajustada de modo que passe por ela um fluxo menor que o fluxo total da bomba, a pressão de entrada da válvula de agulha aumenta até atingir o valor de ajuste da válvula de alívio. Quando a pressão de entrada da válvula de agulha ultrapassa a força da mola do êmbolo compensador, este último se desloca em direção ao ponto B, estrangulando o fluxo de entrada. Quando o fluxo através da abertura do êmbolo compensador iguala o fluxo de saída da bomba, a pressão de entrada da válvula de agulha estabiliza-se no valor da pressão exercida pela mola. Por exemplo, com um valor de mola de 100 psi (6,89 bar) e a válvula de alívio ajustada em 500 psi (34,48 bar): a pressão de entrada é de 500 psi (34,48 bar); à medida que o óleo flui através da abertura do êmbolo compensador, 400 psi (28 bar) são convertidos em calor, reduzindo a pressão de entrada da válvula de agulha para 100 psi (6,89 bar). Isso significa que, independentemente da pressão de entrada da válvula de controle de fluxo, devido à ação do êmbolo compensador, a pressão de entrada da válvula de agulha é mantida em 100 psi (6,89 bar).

Figura 9-5 Válvula de controle de velocidade com entrada no medidor (compensada por pressão). O êmbolo compensador mantém constante a queda de pressão através da válvula de agulha, independentemente das variações de pressão na entrada ou na saída — fornecendo um fluxo preciso e constante.

No circuito anterior com válvula de agulha, o diferencial de pressão através do orifício da válvula de agulha representa apenas metade da história — a pressão a jusante da válvula de agulha também deve ser compensada. Em outras palavras, é necessário manter um diferencial de pressão constante. Para alcançar esse objetivo, a pressão a jusante da válvula de agulha é igualmente direcionada, por meio de uma passagem de controle, à câmara da mola de pré-carga do êmbolo compensador. Agora, duas forças atuam sobre o lado A do êmbolo compensador: a força da mola e a pressão do óleo a jusante.

Se a força da mola = 100 psi (6,89 bar), a diferença de pressão na válvula de agulha será limitada a um valor superior à pressão a jusante em 100 psi (6,89 bar). Desde que a válvula de alívio seja ajustada para um valor suficientemente elevado, a diferença de pressão no orifício da válvula de agulha sempre será igual ao valor da pressão da mola. Dessa forma, a diferença de pressão que impulsiona o fluxo através da válvula de agulha permanece constante — não sendo afetada por flutuações de pressão a montante ou a jusante.

Válvula de controle de velocidade com regulação na entrada em um circuito

No circuito, a válvula de controle de velocidade com entrada de fluxo está ajustada para 3 gpm (11,37 L/min). A válvula de alívio está ajustada para 500 psi (34,48 bar) e a pressão de carga é de 200 psi (13,79 bar). A mola do carretel compensador = 100 psi (6,89 bar). A bomba tenta impulsionar os 5 gpm (18,95 L/min) integrais através da válvula de agulha, fazendo com que a pressão na entrada da válvula de agulha aumente. Em 300 psi (21 bar), o carretel compensador se desloca e estrangula o fluxo, elevando a pressão na entrada da válvula de controle de fluxo até o valor de ajuste da válvula de alívio: 500 psi (34,48 bar). Destes 500 psi (34,48 bar), 200 psi (13,79 bar) são utilizados para vencer a carga; 100 psi (6,89 bar) impulsionam o fluxo através da válvula de agulha; os 200 psi restantes (13,79 bar) dos 500 psi convertem-se em calor à medida que o fluxo passa pela orifício do carretel compensador. O fluxo aqui é de 3 gpm (11,37 L/min) e a velocidade da haste é de 19 pés/min (97,83 mm/s).

Aumento da pressão de carga e do ajuste da válvula de alívio

Se a pressão de carga subir para 400 psi (27,58 bar) ou a válvula de alívio for reajustada para 600 psi (41,38 bar), ainda haverá um fluxo impulsor de 100 psi (6,89 bar) através da válvula de agulha. Contanto que a pressão de alívio seja ajustada suficientemente alta para mover o êmbolo compensador, a vazão de saída para o cilindro será constante em 3 gpm (11,37 L/min).

Construção da válvula de controle de velocidade do tipo by-pass

A válvula de controle de velocidade do tipo by-pass consiste em um corpo de válvula com orifícios de entrada, saída e retorno, uma válvula de agulha, um êmbolo compensador e uma mola de pré-carga.

Como funciona o tipo by-pass

O êmbolo compensador desta válvula abre e fecha uma passagem de by-pass para o retorno ao tanque. O êmbolo compensador é mantido na posição fechada (posição inferior) por uma mola de pré-carga. Se a mola tiver uma força de 100 psi (6,89 bar), a pressão de entrada na válvula de agulha será limitada a 100 psi (6,89 bar). Quando o fluxo através da válvula é totalmente direcionado para o tanque de óleo em seu estado inicial. Durante a operação normal, o êmbolo compensador permanece na posição fechada sob a ação da mola de pré-carga.

A pressão de entrada da válvula de agulha é detectada por meio de uma passagem de controle interna até a parte superior do êmbolo compensador. Quando a pressão aumenta acima da força de pré-carga da mola, o êmbolo compensador atua como uma válvula de alívio — abrindo a passagem de derivação e limitando a pressão de entrada da válvula de agulha em 100 psi (6,89 bar). A pressão fixa de entrada da válvula de agulha não garante um fluxo constante — se a pressão a jusante variar, o diferencial de pressão através do orifício da válvula de agulha também varia, alterando o fluxo.

Para compensar esse efeito, a pressão a jusante da válvula de agulha é direcionada, por meio de uma passagem de controle, à câmara da mola de pré-carga do êmbolo compensador. Agora, o lado A do êmbolo compensador está sujeito a duas forças de pré-carga: a força da mola e a pressão do óleo a jusante. Se a força da mola corresponder a 100 psi (6,89 bar), a pressão de entrada da válvula de agulha será limitada a 100 psi (6,89 bar) acima da pressão a jusante. Desde que a válvula de alívio esteja ajustada para um valor suficientemente elevado, o diferencial de pressão através do orifício da válvula de agulha permanecerá constante em 100 psi (6,89 bar).

Válvula de controle de velocidade do tipo derivação em um circuito

Válvula de controle de velocidade do tipo bypass ajustada para 3 gpm (11,37 L/min). Pressão de alívio: 500 psi (34,48 bar), carga: 200 psi (13,79 bar), mola = 100 psi (6,89 bar). A bomba tenta direcionar toda a vazão de 5 gpm (18,95 L/min) através da válvula de agulha. O êmbolo compensador abre a passagem de bypass, limitando a pressão de entrada da válvula de agulha em 300 psi (20,68 bar). Destes 300 psi: 200 psi (13,79 bar) superam a carga, e 100 psi (6,89 bar) impulsionam 3 gpm (11,37 L/min) através da válvula de agulha. Os 2 gpm restantes (7,58 L/min) são desviados pela abertura do êmbolo compensador de volta ao reservatório.

Figura 9-8 – Circuito de controle de velocidade do tipo bypass. O êmbolo compensador desvia o fluxo excedente da bomba diretamente para o reservatório, em vez de enviá-lo pela válvula de alívio. Esse arranjo é mais eficiente energeticamente do que o tipo de controle por entrada (meter-in), pois o fluxo excedente não circula sob toda a pressão do sistema.

Aumento da pressão de carga e do ajuste da válvula de alívio

Se a pressão de carga subir para 400 psi (27,58 bar) ou a válvula de alívio for reajustada para 600 psi (41,38 bar), ainda haverá 100 psi (6,89 bar) empurrando o fluxo através da válvula de agulha. Contanto que a válvula de alívio seja ajustada a uma pressão suficientemente alta para abrir a carreta compensadora, a saída para o cilindro será constante em 3 gpm (11,37 L/min).

Efeito da Temperatura no Fluxo através de Orifício

Como mencionado no início deste capítulo, os três principais fatores que afetam o fluxo através do orifício são o tamanho do orifício, a diferença de pressão e a temperatura do óleo. Quando a temperatura do óleo muda, sua viscosidade também muda — e, quando a viscosidade do óleo muda, o fluxo através do orifício também varia. Para orifícios fixos ou válvulas de agulha, as variações de fluxo induzidas pela temperatura geralmente não são significativas, pois o tamanho do orifício e a diferença de pressão são, em geral, grandes em relação aos efeitos da viscosidade. No entanto, em aplicações que exigem controle de fluxo extremamente preciso, os efeitos da temperatura devem ser considerados. Tanto as válvulas de controle de velocidade com regulação na entrada quanto as do tipo desvio são, em geral, adequadas para aplicações hidráulicas industriais típicas.

Para aplicações que exigem controle de fluxo extremamente preciso — independentemente das variações de temperatura — pode-se utilizar uma válvula redutora de fluxo compensada termicamente. Esse tipo também compensa os efeitos da temperatura.

Fórmulas Principais — Capítulo 9