Empezemos con los elementos finales de control : Válvulas de Control

20 Mayo 2010

El elemento final de control es aquel que finalmente modifica alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Dependiendo del tipo de proceso y de los objetivos, se tienen una variedad de estos elementos. Desde dispositivos que reciben señales de control del tipo discreto hasta otros que actúan regulando la variable de interés dentro de cierto rango como por ejemplo el flujo de un fluido a través de una válvula de control, la velocidad de un motor por medio de un variador de velocidad o la temperatura de un horno eléctrico utilizando una resistencia calefactora.



Empezemos...


Una válvula de control es el elemento final de control más comúnmente usado en la Industria. Este dispositivo varía el flujo de material o energía a un proceso, ajustando una abertura a través de la cual fluye el material, Es por lo tanto un orificio variable en la línea. Según el teorema de Bernoulli el flujo a través de un orificio es


Q = CA (∆P)1/2



En donde:

• Q es la cantidad de flujo
• C es una constante para las condiciones del flujo
• A es el área de apertura de la válvula
• ∆P es la caída de presión a través de la válvula

Según la fórmula anterior, el flujo a través de la válvula es proporcional al área de apertura y la raíz cuadrada de la caída de presión a través de la válvula. Ambos factores varían; el área con el porcentaje de carrera (posición) de la válvula y la caída de presión está referida a las condiciones fuera de la válvula y establecida por el proceso (distribución y tuberías).

En condiciones reales de trabajo, una caída de presión constante es raramente encontrada. Por lo tanto, el usuario de la válvula o el diseñador del sistema debe considerar las características de la válvula y del proceso de modo tal de combinar ambas para lograr el rendimiento deseado.

En un lazo cerrado de control, la válvula es el único elemento resistivo que puede ser controlado. Las otras resistencias, varían de debido a cambios de flujo en el sistema   o  debido  al   revestimiento  de   las  tuberías.   Estas  variaciones  son indeseables y deben ser compensadas por la válvula de control.


Cuales son las partes de una VÁLVULA DE CONTROL?

Debido a que las válvulas más usadas son las neumáticas, vamos a referirnos a estas para detallar las partes de una válvula de control. En general, una V.C.A. consta de dos partes principales: La válvula propiamente dicha y el actuador. La válvula es la parte que a través de la cual pasa y se constata el fluido y el actuador es el elemento encargado de efectuar la operación de control.


Figura 1 - Partes de una Valvula de Control




La VÁLVULA

Consta de las siguientes partes:

Cuerpo de válvula


Elementos internos, como el asiento del obturador, el obturador, el vastago del obturador, la guía del mismo, etc. que están en contacto con el medio a controlar.

Estopero, a través del cual, se desplaza el vastago del obturador y que contiene los accesorios de sellado para evitar fugas de fluido.


Generalmente, contiene los medios de montaje del actuador.



TIPOS DE CUERPO DE VÁLVULA

Existe   una   gran   variedad   de   válvulas   para   las   más   diversas aplicaciones. Una clasificación de éstas es la siguiente:





Grafico Tipos Cuerpo Valvula



Las válvulas de globo de doble asiento son muy populares debido a su diseño equilibrado (las fuerzas que tienden a cerrar la válvula son sólo ligeramente diferentes a las que tienen a abrirla). También están disponibles con obturadores reversibles.

Las válvulas de globo de simple asiento normalmente no son equilibradas (existen diseños que sí lo son). Se usan mayoritariamente en tamaños pequeños donde se requiere un cierre los más estanco posible. Su uso en pequeños tamaños se debe a: su diseño sencillo y que aún siendo no equilibradas no requieren grandes tamaños de actuadores.

 



Figura 2 Válvulas de globo



Mencionemos las características de las más importantes:

 

Las válvulas mariposa son muy usadas en servicios de altos caudales y pequeñas pérdidas de carga. Tienen altos porcentajes de recuperación de presión. Tienen bastantes fugas salvo que se diseñe con asiento blando. Requieren más potencia de actuador y no presentan buenas características de control (especialmente en la zona de cercana al cierre y en la zona cercana a la apertura total) salvo en diseños especiales.

 



Figura 3 Válvulas mariposa




Las válvulas de bola están siendo muy usadas debido a su alto porcentaje de recuperación de presión. Se presentan en diseño de bola completa o segmentada. En este último caso son muy útiles en fluidos viscosos con sólidos en suspensión. Presentan altas capacidades de CV. En muchos casos son idóneas para aplicaciones de control on-off.


Las válvulas de membrana se usan principalmente en servicios viscosos y corrosivos. El sello que constituye la membrana evita el contacto del fluido con los órganos internos. Generalmente tienen malas características de control y las membranas suelen tener corta duración.



Existen otros numerosos tipos de cuerpos (válvula de tres vías, cuerpo partido, angular, etc.) que presentan; asimismo ventajas e inconvenientes, las cuales adecuadamente sopesadas pueden posibilitar el uso de los mismos.



La válvula de jaula es otro tipo de válvula ¡de globo que ha tenido mucho auge en los últimos años. Su nombre se debe a que el obturador es guiado por una especie de "jaula" inmersa en el cuerpo de la válvula. Se usa en muchas aplicaciones sustituyendo a las de doble asiento con alguna ventaja adicional tal como mayor capacidad de Cv, bajo ruido, buena estabilidad, fácil cambio de los órganos internos (trim), uso de trim de tamaño reducido en el mismo obturador y disminución de problemas con la erosión.

 


Ffigura 4 Válvula de jaula

 


EL OBTURADOR



Es el que principalmente define el comportamiento o característica de la válvula como ya antes se ha mencionado. En general se tienen las siguientes características:



Apertura rápida: permite un cambio rápido del caudal para un pequeño recorrido del vastago. Cerca del 90% de la capacidad de la válvula se obtiene al 30% de apertura de la válvula y se logra una relación lineal hasta ese punto. Se utiliza principalmente para servicio on-off o en válvulas auto-reguladas. Incluso son útiles en sistemas con caídas constantes de presión, en donde se requiere una característica lineal.



Lineal: produce un flujo directamente proporcional a la apertura de válvula. Una variación del 50% del vastago origina una igual variación en el flujo, etc. Esta relación produce una pendiente constante, de modo tal que cada cambio incremental de la posición del tapón produce un cambio similar en el flujo de válvula, si la caída de presión es constante. Se usan generalmente en control de nivel de líquidos y en aplicaciones en donde se requiere una ganancia constante.



Igual Porcentaje: una característica de igual porcentaje es aquella en la que a iguales incrementos de recorrido del vastago, se produce un porcentaje igual en el flujo existente. Por ejemplo, cuando el flujo es pequeño, el cambio en el mismo (para un; cambio incremental) es pequeño; cuando el flujo es grande, el cambio es siempre proporcional a la cantidad que fluye antes del cambio. Se usan en aplicaciones de control de presión en donde; un pequeño porcentaje de la caída del sistema permite el control de la válvula.




Figura 5 Curvas características de válvulas de control




Parabólica modificada: Una curva de este tipo cae entre la lineal y la de igual porcentaje. Se usa en aplicacionesien donde la mayor parte de la caída de presión del sistema se da en la válvula de control.



Lineal modificada: Cae entre la lineal y la apertura para flujos bajos y altos, la sensibilidad de la válvula es baja, es decir, que grandes recorridos del vastago producen pequeños cambios de flujo.




ACCION DE LA VÁLVULA

La acción del cuerpo de válvula o válvula propiamente dicha está relacionada al efecto del desplazamiento del vastago de la válvula sobre la apertura de la misma, es decir, si el empujar el vastago de la válvula, se origina un efecto de empujar para i cerrar (push-to™ cSose) o de empujar para cubrir (push— to—open). El cierre se logra físicamente con el tapón u obturador.

 



Figura 6 Acciones de cuerpo de válvula


MATERÍALES

Los materiales de construcción, es decir, los materiales de los órganos internos así como los del cuerpo de la misma, suelen venir exigidos por el tipo de proceso y las condiciones del mismo. El empleo de aceros inoxidables es común en aplicaciones químicas, sin embargo debido a la gran variedad de las mismas se utilizan algunos materiales especiales. Normalmente, la mejor selección de los materiales para válvulas procede de la persona que más puede saber sobre el fluido de proceso. En este sentido, los fabricantes de las válvulas suelen fiarse de la opinión del usuario para la selección de materiales y disponen de catálogos detallados que ayudan en este tema.


Un aspecto interesante en la selección de los órganos internos de las válvulas de control es el tema de la erosión. La erosión es producida por las elevadas caídas de presión, que ocasionan velocidades del fluido, a través del orificio de paso, considerablemente altas y, por tanto, de gran efecto erosivo. Los efectos de la erosión se multiplican en los casos en que existen en el fluido partículas sólidas en suspensión. La elección se ha de hacer considerando a la vez las propiedades anti-erosivas y la resistencia a la corrosión por el fluido que vaya a manejar la válvula.

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 9 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo nuestro foro: http://instrumentacionycontrol.net/foros/.

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