Noções básicas do regulador de pressão
Reguladores de pressão são encontrados em muitas aplicações domésticas e industriais comuns. Por exemplo, reguladores de pressão são usados em grelhas a gás para regular propano, em fornos de aquecimento doméstico para regular gases naturais, em equipamentos médicos e odontológicos para regular oxigênio e gases anestésicos, em sistemas de automação pneumática para regular ar comprimido, em motores para regular combustível e em células de combustível para regular hidrogênio. Como esta lista parcial demonstra, há inúmeras aplicações para reguladores, mas, em cada uma delas, o regulador de pressão fornece a mesma função. Os reguladores de pressão reduzem uma pressão de suprimento (ou entrada) para uma pressão de saída mais baixa e trabalham para manter essa pressão de saída, apesar das flutuações na pressão de entrada. A redução da pressão de entrada para uma pressão de saída mais baixa é a principal característica dos reguladores de pressão.
Ao escolher um regulador de pressão, muitos fatores devem ser considerados. Considerações importantes incluem: faixas de pressão operacional para a entrada e saída, requisitos de fluxo, o fluido (é um gás, um líquido, tóxico ou inflamável?), faixa de temperatura operacional esperada, seleção de material para os componentes do regulador, incluindo vedações, bem como restrições de tamanho e peso.
Materiais usados em reguladores de pressão
Uma ampla gama de materiais está disponível para lidar com vários fluidos e ambientes operacionais. Os materiais comuns dos componentes do regulador incluem latão, plástico e alumínio. Vários graus de aço inoxidável (como 303, 304 e 316) também estão disponíveis. As molas usadas dentro do regulador são normalmente feitas de fio de música (aço carbono) ou aço inoxidável.
O latão é adequado para a maioria das aplicações comuns e geralmente é econômico. O alumínio é frequentemente especificado quando o peso é uma consideração. O plástico é considerado quando o baixo custo é a principal preocupação ou um item descartável é necessário. Os aços inoxidáveis são frequentemente escolhidos para uso com fluidos corrosivos, uso em ambientes corrosivos, quando a limpeza do fluido é uma consideração ou quando as temperaturas operacionais serão altas.
Igualmente importante é a compatibilidade do material de vedação com o fluido e com a faixa de temperatura operacional. Buna-n é um material de vedação típico. Vedações opcionais são oferecidas por alguns fabricantes e incluem: Fluorocarbono, EPDM, Silicone e Perfluoroelastômero.
Fluido usado (gás, líquido, tóxico ou inflamável)
As propriedades químicas do fluido devem ser consideradas antes de determinar os melhores materiais para sua aplicação. Cada fluido terá suas próprias características únicas, portanto, deve-se tomar cuidado para selecionar os materiais apropriados do corpo e da vedação que entrarão em contato com o fluido. As partes do regulador em contato com o fluido são conhecidas como componentes “molhados”.
Também é importante determinar se o fluido é inflamável, tóxico, explosivo ou perigoso por natureza. Um regulador sem alívio é preferível para uso com gases perigosos, explosivos ou caros porque o design não libera pressão excessiva a jusante para a atmosfera. Em contraste com um regulador sem alívio, um regulador com alívio (também conhecido como autoalívio) é projetado para liberar o excesso de pressão a jusante para a atmosfera. Normalmente, há um orifício de ventilação na lateral do corpo do regulador para essa finalidade. Em alguns designs especiais, a porta de ventilação pode ser rosqueada e qualquer excesso de pressão pode ser liberado do corpo do regulador por meio de tubulação e exaurido em uma área segura. Se esse tipo de design for selecionado, o excesso de fluido deve ser liberado adequadamente e de acordo com todas as regulamentações de segurança.
Temperatura:
Os materiais selecionados para o regulador de pressão não só precisam ser compatíveis com o fluido, mas também devem ser capazes de funcionar adequadamente na temperatura operacional esperada. A principal preocupação é se o elastômero escolhido funcionará adequadamente em toda a faixa de temperatura esperada. Além disso, a temperatura operacional pode afetar a capacidade de fluxo e/ou a taxa de mola em aplicações extremas.
Pressões Operacionais
As pressões de entrada e saída são fatores importantes a serem considerados antes de escolher o melhor regulador. Perguntas importantes a serem respondidas são: Qual é a faixa de flutuação na pressão de entrada? Qual é a pressão de saída necessária? Qual é a variação permitida na pressão de saída?
Requisitos de fluxo
Qual é a vazão máxima que a aplicação requer? Quanto a vazão varia? Requisitos de portabilidade também são uma consideração importante.
Tamanho e Peso
Em muitas aplicações de alta tecnologia, o espaço é limitado e o peso é um fator. Alguns fabricantes são especializados em componentes em miniatura e devem ser consultados se o tamanho e o peso geral forem críticos. A seleção do material, particularmente os componentes do corpo do regulador, impactará o peso. Considere também cuidadosamente os tamanhos das portas (roscas), os estilos de ajuste e as opções de montagem, pois eles influenciarão o tamanho e o peso.
Reguladores de pressão em operação
Um regulador de pressão é composto por três elementos funcionais
* Um elemento redutor ou restritivo de pressão. Geralmente, é uma válvula de gatilho com mola.
* Um elemento sensor. Normalmente um diafragma ou pistão.
*Um elemento de força de referência. Mais comumente uma mola.
Em operação, a força de referência gerada pela mola abre a válvula. A abertura da válvula aplica pressão ao elemento sensor que, por sua vez, fecha a válvula até que ela esteja aberta o suficiente para manter a pressão definida. O esquema simplificado “Pressure Regulator Schematic” ilustra esse arranjo de equilíbrio de força.
(1) Elemento redutor de pressão (válvula de gatilho)
Mais comumente, os reguladores empregam uma válvula de “poppet” com mola como um elemento restritivo. O poppet inclui uma vedação elastomérica ou, em alguns projetos de alta pressão, uma vedação termoplástica, que é configurada para fazer uma vedação em um assento de válvula. Quando a força da mola afasta a vedação do assento da válvula, o fluido pode fluir da entrada do regulador para a saída. Conforme a pressão de saída aumenta, a força gerada pelo elemento sensor resiste à força da mola e a válvula é fechada. Essas duas forças atingem um ponto de equilíbrio no ponto de ajuste do regulador de pressão. Quando a pressão a jusante cai abaixo do ponto de ajuste, a mola empurra o poppet para longe do assento da válvula e fluido adicional pode fluir da entrada para a saída até que o equilíbrio de força seja restaurado.
(2) Elemento sensor (pistão ou diafragma)
Os designs de estilo de pistão são frequentemente usados quando pressões de saída mais altas são necessárias, quando a robustez é uma preocupação ou quando a pressão de saída não precisa ser mantida em uma tolerância apertada. Os designs de pistão tendem a ser lentos, em comparação aos designs de diafragma, por causa do atrito entre a vedação do pistão e o corpo do regulador.
Em aplicações de baixa pressão, ou quando alta precisão é necessária, o estilo de diafragma é o preferido. Os reguladores de diafragma empregam um elemento fino em forma de disco que é usado para detectar mudanças de pressão. Eles geralmente são feitos de um elastômero, no entanto, metal fino e convoluto é usado em aplicações especiais. Os diafragmas essencialmente eliminam o atrito inerente aos designs de estilo de pistão. Além disso, para um tamanho de regulador específico, muitas vezes é possível fornecer uma área de detecção maior com um design de diafragma do que seria viável se um design de estilo de pistão fosse empregado.
(3) O Elemento de Força de Referência (mola)
O elemento de força de referência é geralmente uma mola mecânica. Esta mola exerce uma força no elemento sensor e atua para abrir a válvula. A maioria dos reguladores é projetada com um ajuste que permite ao usuário ajustar o ponto de ajuste da pressão de saída alterando a força exercida pela mola de referência.
Precisão e capacidade do regulador
A precisão de um regulador de pressão é determinada pelo gráfico da pressão de saída versus vazão. O gráfico resultante mostra a queda na pressão de saída conforme a vazão aumenta. Esse fenômeno é conhecido como queda. A precisão do regulador de pressão é definida como quanta queda o dispositivo exibe em uma faixa de fluxos; menos queda é igual a maior precisão. As curvas de pressão versus vazão fornecidas no gráfico “Mapa operacional do regulador de pressão de ação direta” indicam a capacidade de regulação útil do regulador. Ao selecionar um regulador, os engenheiros devem examinar as curvas de pressão versus vazão para garantir que o regulador possa atender aos requisitos de desempenho necessários para a aplicação proposta.
Definição de Droop
O termo “queda” é usado para descrever a queda na pressão de saída, abaixo do ponto de ajuste original, conforme o fluxo aumenta. A queda também pode ser causada por mudanças significativas na pressão de entrada (do valor quando a saída do regulador foi ajustada). Conforme a pressão de entrada aumenta da configuração inicial, a pressão de saída cai. Por outro lado, conforme a pressão de entrada cai, a pressão de saída aumenta. Conforme visto no gráfico “Mapa Operacional do Regulador de Pressão de Ação Direta”, esse efeito é importante para um usuário porque mostra a capacidade de regulação útil de um regulador.
Tamanho do orifício
Aumentar o orifício da válvula pode aumentar a capacidade de fluxo do regulador. Isso pode ser benéfico se seu projeto puder acomodar um regulador maior, mas tenha cuidado para não especificar demais. Um regulador com uma válvula superdimensionada, para as condições da aplicação pretendida, resultará em uma maior sensibilidade a pressões de entrada flutuantes e pode causar queda excessiva.
Pressão de bloqueio
“Pressão de bloqueio” é a pressão acima do ponto de ajuste necessária para fechar completamente a válvula reguladora e garantir que não haja fluxo.
Histerese
A histerese pode ocorrer em sistemas mecânicos, como reguladores de pressão, devido a forças de atrito causadas por molas e vedações. Dê uma olhada no gráfico e você notará, para uma dada vazão, que a pressão de saída será maior com a diminuição da vazão do que com o aumento da vazão.
Regulador de estágio único
Reguladores de estágio único são uma excelente escolha para reduções relativamente pequenas na pressão. Por exemplo, os compressores de ar usados na maioria das fábricas geram pressões máximas na faixa de 100 a 150 psi. Essa pressão é canalizada pela fábrica, mas geralmente é reduzida com um regulador de estágio único para pressões mais baixas (10 psi, 50 psi, 80 psi etc.) para operar máquinas automatizadas, bancadas de teste, máquinas-ferramentas, equipamentos de teste de vazamento, atuadores lineares e outros dispositivos. Reguladores de pressão de estágio único normalmente não funcionam bem com grandes oscilações na pressão de entrada e/ou taxas de fluxo.
Regulador de dois estágios (estágio duplo)
Um regulador de pressão de dois estágios é ideal para aplicações com grandes variações na vazão, flutuações significativas na pressão de entrada ou diminuição da pressão de entrada, como ocorre com gás fornecido por um pequeno tanque de armazenamento ou cilindro de gás.
Com a maioria dos reguladores de estágio único, exceto aqueles que usam um design de pressão compensada, uma grande queda na pressão de entrada causará um ligeiro aumento na pressão de saída. Isso acontece porque as forças que atuam na válvula mudam, devido à grande queda na pressão, de quando a pressão de saída foi inicialmente definida. Em um design de dois estágios, o segundo estágio não será submetido a essas grandes mudanças na pressão de entrada, apenas à ligeira mudança da saída do primeiro estágio. Esse arranjo resulta em uma pressão de saída estável do segundo estágio, apesar das mudanças significativas na pressão fornecida ao primeiro estágio.
Regulador de três estágios
Um regulador de três estágios fornece uma pressão de saída estável semelhante a um regulador de dois estágios, mas com a capacidade adicional de lidar com uma pressão de entrada máxima significativamente maior. Por exemplo, o regulador de três estágios da série Beswick PRD4HP é classificado para lidar com uma pressão de entrada tão alta quanto 3,000 psi e fornecerá uma pressão de saída estável (na faixa de 0 a 30 psi) apesar das mudanças na pressão de alimentação. Um regulador de pressão pequeno e leve que pode manter uma pressão de saída baixa estável apesar de uma pressão de entrada que diminuirá ao longo do tempo a partir de uma alta pressão é um componente crítico em muitos projetos. Exemplos incluem instrumentos analíticos portáteis, células de combustível de hidrogênio, UAVs e dispositivos médicos alimentados por gás de alta pressão fornecido por um cartucho de gás ou cilindro de armazenamento.
Agora que você escolheu o regulador que melhor se adapta à sua aplicação, é importante que ele seja instalado e ajustado corretamente para garantir que funcione conforme o esperado.
A maioria dos fabricantes recomenda a instalação de um filtro a montante do regulador (alguns reguladores têm um filtro integrado) para evitar que sujeira e partículas contaminem a sede da válvula. A operação de um regulador sem filtro pode resultar em vazamento na porta de saída se a sede da válvula estiver contaminada com sujeira ou material estranho. Os gases regulados devem estar livres de óleos, graxas e outros contaminantes que possam sujar ou danificar os componentes da válvula ou atacar as vedações do regulador. Muitos usuários não sabem que os gases fornecidos em cilindros e pequenos cartuchos de gás podem conter vestígios de óleos do processo de fabricação. A presença de óleo no gás geralmente não é aparente para o usuário e, portanto, este tópico deve ser discutido com seu fornecedor de gás antes de você selecionar os materiais de vedação para seu regulador. Além disso, os gases devem estar livres de umidade excessiva. Em aplicações de alta vazão, pode ocorrer congelamento do regulador se houver umidade presente.
Se o regulador de pressão for usado com oxigênio, esteja ciente de que esse oxigênio requer conhecimento especializado para um projeto de sistema seguro. Lubrificantes compatíveis com oxigênio devem ser especificados e limpeza extra, para remover vestígios de óleos de corte à base de petróleo, é normalmente especificada. Certifique-se de informar seu fornecedor de regulador que você planeja usar o regulador em uma aplicação de oxigênio.
Não conecte reguladores a uma fonte de alimentação com pressão máxima maior que a pressão de entrada nominal do regulador. Reguladores de pressão não devem ser usados como dispositivos de desligamento. Quando o regulador não estiver em uso, a pressão de alimentação deve ser desligada.
Instalação
PASSO 1
Comece conectando a fonte de pressão à porta de entrada e a linha de pressão regulada à porta de saída. Se as portas não estiverem marcadas, consulte o fabricante para evitar conexões incorretas. Em alguns projetos, podem ocorrer danos aos componentes internos se a pressão de alimentação for fornecida por engano à porta de saída.
PASSO 2
Antes de ligar a pressão de alimentação para o regulador, recue o botão de controle de ajuste para restringir o fluxo através do regulador. Ligue gradualmente a pressão de alimentação para não "chocar" o regulador com um fluxo repentino de fluido pressurizado. NOTA: Evite girar o parafuso de ajuste totalmente para dentro do regulador porque, em alguns projetos de regulador, a pressão de alimentação total será entregue à porta de saída.
PASSO 3
Ajuste o regulador de pressão para a pressão de saída desejada. Se o regulador não estiver aliviando, será mais fácil ajustar a pressão de saída se o fluido estiver fluindo em vez de "morto" (sem fluxo). Se a pressão de saída medida exceder a pressão de saída desejada, ventile o fluido do lado a jusante do regulador e diminua a pressão de saída girando o botão de ajuste. Nunca ventile o fluido afrouxando os encaixes, pois podem ocorrer ferimentos.
Com um regulador de estilo de alívio, o excesso de pressão será automaticamente ventilado para a atmosfera do lado a jusante do regulador quando o botão for girado para diminuir a configuração de saída. Por esse motivo, não use reguladores de estilo de alívio com fluidos inflamáveis ou perigosos. Certifique-se de que o excesso de fluido seja ventilado com segurança e de acordo com todas as regulamentações locais, estaduais e federais.
PASSO 4
Para obter a pressão de saída desejada, faça os ajustes finais aumentando lentamente a pressão abaixo do ponto de ajuste desejado. Ajustar a pressão abaixo do ponto de ajuste desejado é preferível a ajustá-la acima do ponto de ajuste desejado. Se você ultrapassar o ponto de ajuste ao ajustar o regulador de pressão, diminua a pressão ajustada para um ponto abaixo do ponto de ajuste. Então, novamente, aumente gradualmente a pressão até o ponto de ajuste desejado.
PASSO 5
Ligue e desligue a pressão de fornecimento várias vezes enquanto monitora a pressão de saída para confirmar se o regulador está retornando consistentemente ao ponto de ajuste. Além disso, a pressão de saída também deve ser ligada e desligada para garantir que o regulador de pressão retorne ao ponto de ajuste desejado. Repita a sequência de ajuste de pressão se a pressão de saída não retornar ao ajuste desejado.
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