El elemento final de control consta
generalmente de dos partes:
- Un actuador que convierte la señal del controlador en un comando para el dispositivo manipulador.
- Un mecanismo para ajustar la variable manipulada
VÁLVULAS DE CONTROL
En
los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante
en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de
control que modifica a su vez el valor de la variable de medida comportándose
como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control
tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el
controlador.
La válvula
de control se compone básicamente de los siguientes
elementos:
Servomotor
Acciona el movimiento del vástago y con ello del obturador. Puede ser neumático, eléctrico, hidráulico o digital (siendo los dos primeros los más
utilizados).
Servomotor neumático
Consiste en un diafragma o pistón con resorte que trabaja (con algunas excepciones)
entre 3 y 15 psi. Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se
comprime de tal modo que el mecanismo
empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y a la fuerza ejercida por el resorte.
Servomotor eléctrico.
Se trata de un motor eléctrico
acoplado al vástago de la válvula a través de un tren
de engranajes.
El
motor
se
caracteriza fundamentalmente por su par y por
el tiempo requerido para
hacer pasar la válvula
de la posición abierta
a la cerrada o viceversa.
Vástago
Su función
es unir al obturador con el servomotor. Dispone generalmente de un
índice que señala en una escala la posición de apertura o cierre de la válvula.
Tapa
La tapa de la válvula de control tiene por
objeto unir el cuerpo al servomotor. A su vez
desliza el vástago
del obturador accionado por
el motor. Según las
temperaturas de trabajo de los fluidos y el
grado
de estanquidad deseada existen los siguientes tipos de tapas:
- Tapa normal adecuada para trabajar a temperaturas del fluido variables entre 0° y 220°C.
- Tapa con columnas de extensión. Las columnas son adecuadas cuando el flujo está a temperaturas muy bajas.
- Tapa con fuelle de estanqueidad para temperaturas de servicio entre 20 y 450°C.
- Tapa con aletas de radiación circular o vertical que pueden trabajar entre 20 a 450 °C, recomendándose por encima de los 350 °C, para facilitar el enfriamiento de la empaquetadura.
Empaquetadura
Caja de
protección entre la tapa y el vástago que tiene por función impedir que
el fluido se escape a través de la tapa. La caja de empaquetadura de la válvula consiste en unos anillos comprimidos por medio de una
tuerca (a) o bien mediante una
brida de presión regulable con dos tuercas
(b). La empaquetadura puede ser apretada
manualmente de modo periódico
o bien puede ser presionada
elásticamente por un muelle apoyado
interiormente en la tapa.
Existen diversos tipos de empaquetaduras según sean las presiones
y temperaturas de trabajo y el tipo de fluido. En la tabla 5.1
puede verse una guía de
selección.
Descripción
|
Presión máx. (bar)
|
Campo de T° (° C)
|
Observaciones
|
Teflón
en V (anticorrosión).
|
40
|
-180
a 200
|
Adecuado
en general para todo tipo de productos. Inadecuado
para aceite y para productos que
precipitan cristales o que
contienen fangos.
|
Perfluorelastómero Con anillos de teflón
rellenos con fibras de grafito.
|
--
|
0-250
|
Bajo nivel
de fugas, bajo rozamiento,
bajo mantenimiento.
|
Grafito en filamento o
laminado o en cinta.
|
--
|
650-1650
|
Fluidos
no oxidantes 650-1650 °C.
|
Cuerpo
El cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin pérdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la
erosión o corrosión producidas por el fluido.
Bridas
Aquí se realiza la conexión del cuerpo de la válvula con la tubería. Las bridas están normalizadas de acuerdo
con las presiones y
temperaturas de trabajo
en las normas DIN y
ANSI.
Obturador
Es quien realiza la función
de control de paso del fluido y puede actuar en su propio
eje o bien tener un movimiento rotativo.
Asiento
Junto con el obturador
forman el “corazón de la válvula” al controlar el caudal
gracias al orificio de paso variable
que forman al variar su posición relativa,
y que además tienen la misión
de cerrar el paso del fluido.
TIPOS DE VÁLVULAS
Las válvulas
pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador.
Las
válvulas de movimiento lineal, en las que el obturador se mueve en la dirección
de su propio eje se clasifican a continuación.
Válvula de globo
Siendo de simple
asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado respectivamente. Las
válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el
obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto,
se emplean cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en
posición de cierre sean mínimas. El cierre estanco se logra con obturadores
provistos de una arandela de teflón. En la válvula de doble asiento o de
obturador equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión
diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple
asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando
deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre las
fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.
Válvula en ángulo
Esta válvula
permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control
de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones
diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos
en suspensión.
Válvula de tres vías
Este tipo de válvula
se emplea generalmente para mezclar fluidos (válvulas
mezcladoras)
o bien para derivar de un flujo de entrada de dos de salida (válvulas
diversoras). Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de
intercambiadores de calor.
Válvula de jaula
Consiste en un obturador
cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados en las características de caudal deseadas
en la válvula. Se caracterizan por el
fácil desmontaje del
obturador y porque
éste puede incorporar orificios
que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial
favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este
motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una
alta presión diferencial. Como el obturador esta contenido dentro de la jaula,
la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador
puede disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten lograr así un cierre hermético.
Válvula
de compuerta
Esta válvula
efectúa su cierre con un disco vertical
plano, o de forma especial,
y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya
que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca
resistencia al flujo de fluido cuando está en posición
de apertura total.
Válvula
en Y
Es adecuada
como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada
se caracteriza por su baja pérdida de carga y como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de
auto drenaje
cuando está instalada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas.
Válvula
de cuerpo partido
Esta
válvula es una modificación de la válvula de globo de simple asiento teniendo
el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento.
Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo
suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente
para fluidos viscosos y en la industria alimentaria.
Válvula
Saunders
En la válvula Saunders,
el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago
unido
a
un
servomotor,
es
forzada contra
un resalte del
cuerpo cerrando así el paso del fluido.
La válvula se caracteriza porque
el
cuerpo puede revestirse
fácilmente de la goma o de
plástico para trabajar con fluidos agresivos.
Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular
en
el manejo de
fluidos negros o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en
suspensión.
Válvula de compresión
Esta válvula
funciona mediante el pinzamiento
de dos o más elementos flexibles, por ejemplo, un tubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma
se caracterizan porque
proporcionan un óptimo
control
en
posición de
cierre
parcial
y
se aplican fundamentalmente en el manejo de
fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo partículas sólidas en
suspensión.
Válvula
de obturador excéntrico rotativo
Consiste en un obturador de superficie
esférica
que tiene un movimiento rotativo excéntrico
y que está unido al eje de giro
por uno de los dos brazos flexibles.
El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por el vástago de un
servomotor. El par de éste es reducido gracias al movimiento excéntrico de
la cara esférica
del obturador.
La válvula puede tener un cierre
estanco mediante aros de teflón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran cantidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa y
a las de bola y por su elevada
pérdida de carga admisible.
Válvula
de obturador cilíndrico excéntrico
Esta válvula
tiene un obturador
cilíndrico excéntrico
que asienta contra un
cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. Es adecuada para fluidos corrosivos y líquidos viscosos o conteniendo sólidos en suspensión.
Válvula
de mariposa
El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular.
La válvula puede cerrar herméticamente mediante
un anillo de goma encastrado
en el cuerpo. Un servomotor exterior
acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente
abierta, siempre que la
presión diferencial permanezca constante.
Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales
de fluidos a baja presión.
Válvula
de bola
El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador
en forma de esfera o de bola.
La bola tiene un corte
adecuado (usualmente en V) que fija la cueva característica de la válvula, y
gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. El cierre estanco se logra con un aro de
teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula
está cerrada.
Una válvula de bola típica es la válvula de macho que consiste en un
macho de forma cilíndrica o troncocónica con un orificio
transversal igual al diámetro interior de la tubería. El macho ajusta en el cuerpo de la válvula y
tiene un movimiento de
giro de 90°. Se utiliza generalmente en el control manual todo-nada
de líquidos o gases y
en regulación de caudal.
Válvulas de flujo axial
Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado neumáticamente
que mueve un pistón, el cual a su vez comprime
un fluido hidráulico contra el obturador formado por un material
elastómero. De este modo, el obturador se expande para cerrar el flujo anular del fluido. Este tipo de válvulas
se emplea para gases y es especialmente
silencioso.
CARACTERÍSTICA DE CAUDAL INHERENTE.
El obturador determina
la característica de caudal de la
válvula; es decir, la relación que existe
entre la posición del obturador y el
caudal de paso del fluido.
La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presión diferencial constante
a través de la válvula se denomina característica de caudal inherente y se representa usualmente considerando como abscisas la carrera del obturador de la
válvula y como ordenadas el porcentaje de caudal máximo bajo una presión
diferencial constante.
Las curvas características se obtienen mecanizando el obturador para que al variar la
carrera el orificio de paso variable existente entre el contorno
del obturador y el asiento
configure la característica de la válvula. En la figura pueden verse varios tipos de obturadores cuya forma y mecanización determina esta
característica.
Tipos de obturadores
El obturador con característica lineal, el caudal
es directamente proporcional a la
carrera según la ecuación: q=Kl, en
la que
q = caudal a pérdida de carga constante
K= constante
l = carrera de la válvula.
En el obturador
con característica isoporcentual cada
incremento de carrera
del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de
la variación. La ecuación correspondiente es:
en la que
q = caudal a pérdida de carga constante
l = carrera
a = constante
CARACTERÍSTICAS DE CAUDAL EFECTIVAS.
Por lo general, en la mayor parte de las válvulas que trabajan
en condiciones reales, la presión diferencial cambia cuando varía la apertura de la válvula, por lo cual la curva real que relaciona la carrera
de la válvula con el caudal, se aparta de la característica
de caudal
inherente. Esta nueva curva recibe el nombre de característica de caudal
efectiva.
Una forma adecuada para representar la característica de caudal efectiva
es a través del coeficiente r, que expresa la relación entre la caída de presión
en la válvula respecto de la caída de presión total del sistema,
tal como se muestra en el ejemplo de la figura, en donde la pérdida
total del sistema
es constante (caso de un depósito que descarga a un nivel más bajo a través de una
válvula de control).
Ejemplo sencillo de
estudio para la variación de r
De
modo general, el caudal que pasa por la válvula corresponde a la
ecuación
en la que:
Qv = caudal a través de la válvula
K = constante
A = área del paso
Δp= presión diferencial a través de la válvula
Si consideramos una pérdida de carga de 1 bar y llamamos Kv al caudal que circula
en estas condiciones, tenemos
y por la analogía, el caudal que pasa por la tubería es:
expresión en la que Kl es el caudal que pasa por la tubería con una pérdida de carga de 1 kg/cm2; es decir, es una constante.
siendo qi la característica de
caudal inherente resulta:
y sustituyendo
en la ecuación anterior se obtiene la expresión
final
que es una familia
de curvas efectivas
en función de r y de la característica
inherente qi.
Si la característica es
isoporcentual con “rangeability” R=50,
qi=0.02x50l resulta
Estas familias de curvas están representadas en las siguiente figuras a y b respectivamente
Figura de Curvas características efectivas
de una válvula de control.
DIMENSIONAMIENTO DE LA VÁLVULA. CALCULO DE KV Y CV.
El primer coeficiente de dimensionamiento de
válvula que se utilizó fue el denominado Cv, cuya definición
es la siguiente: “caudal en galones
USA por minuto que pasa a través de la válvula en posición completamente
abierta y con una pérdida de carga de
una libra por pulgada cuadrada (psi)“.
En
los
países
que
se
emplean unidades métricas
se suele
utilizar además el
coeficiente Kv, que la norma internacional IEC-534-1987 sobre Válvulas de Control de Procesos industriales define del siguiente modo:
“caudal de agua (de 5 a 40° C) en m3/h que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una pérdida de carga de 1 bar (105Pa) (1.02 bar).
El coeficiente Kv para la válvula totalmente abierta se denomina Kvs mientras que el mínimo valor recibe
el nombre de Kv0. Por lo tanto la relación Kvs /K v 0 es la denominada “rangeability” o “campo de control” que expresa la relación
de caudales que la válvula puede controlar. En las válvulas de control isoporcentuales, esta relación suele
ser 30 a 1 y en las lineales
de 15 a 1 ó 30 a 1. La equivalencia entre los coeficientes Kv y Cv para la válvula
completamente abierta es:
Kv = 0.86 Cv (m3/h)
Cv = 1.16 Kv (galones por minuto)
Fórmula general.
La
válvula
se
comporta
esencialmente
como
un
orificio
de
paso
variable
que
permite la circulación
de un cierto caudal con
una determinada pérdida
de carga.
Válvula de control.
Aplicando el teorema de Bernoulli en los
puntos 1 y 2 de la figura resulta:
y como V2 es mucho mayor que V1 queda:
Por otro lado, la forma de la válvula da lugar a una resistencia que disminuye la velocidad. Luego ésta es:
en la que: b = coeficiente de resistencia (sin
dimensiones)
V = velocidad del fluido, en m/s
h =
altura de presión entre la entrada y la salida de la válvula, en m
y como q
= FV siendo
q = caudal a través de la válvula, en
m3/h
F = sección del orificio
de paso, en m2
Resulta
en la que ΔP = pérdida de carga en bar a través de
la válvula (1 bar = 105 Pascal)
d = densidad del fluido, en kg/dm3
Sustituyendo la fórmula anterior en resulta:
expresiones en las que:
Q
|
=
|
caudal máximo,
en m3/h
|
d
ΔP
|
=
=
|
densidad, en kg/dm3 o g/cm3
pérdida de carga, en bar para el caudal máximo
|
Vaporización (flashing) y Cavitación.
En algunas aplicaciones de las válvulas de control, el fluido existe
en estado líquido
antes de la válvula y en estado
de vapor aguas abajo
por existir en la salida una presión
igual o inferior a la
tensión del líquido en estado de vapor a la temperatura de derrame. Este
fenómeno se denomina vaporización.
En la zona de estrangulación de la vena del líquido (vena
contraída) puede ocurrir que la tensión del vapor del líquido llegue a ser inferior a la presión de su vapor
saturado, formándose burbujas de vapor que colapsan si a la salida de la válvula
de presión vuelve a ser superior a dicha presión de saturación
del líquido. Este fenómeno se denomina “Cavitación” y se debe evitar porque origina una rápida destrucción del material de las
partes internas y excesivo ruido.
El intercambio continuo
entre la presión
y la velocidad del líquido a lo largo de su
recorrido a través de la válvula se denomina “recuperación de presión” y juega un papel
importante en la determinación precisa del tamaño de la válvula de control.
El factor que tiene en cuenta la recuperación de presión de la válvula
con relación al caudal crítico (estrangulado) es
el Ct que
equivale a:
en la que:
· DPs = Perdida de carga
a
través
de
la
válvula
necesaria
para
producir
caudal
estrangulado.
· P1= Presión a la entrada de la válvula.
· Pvc = Presión de la vena contraída.
La perdida
de carga debe limitarse para que no se presenten
estas condiciones de caudal
crítico e incluso conviene prevenir el fenómeno de la cavitación
de acuerdo a la fórmula:
DP £ K c ·(P1 - Pv )
en la que:
·K c = índice de cavitación.
·Pv =
Presión del vapor de líquido en la entrada.
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