válvulas de control

VÁLVULAS DE CONTROL

Miguel A. Sánchez Bravo

Válvulas de control / MASB 2

Introducción

- Es una válvula que es capaz no solo de abrir o cerrar un circuito hidráulico o neumático, sino de regular el caudal través de un determinado conducto siguiendo una cierta magnitud de consigna de tipo eléctrico o neumático. Actúan como una resistencia variable al flujo.

- Generalmente se tratan de componentes oleohidráulicos con un dispositivo motorizado que regula la posición de un pistón de tipo cónico, un obturador de tipo rotativo o un distribuidor.

- Sus parámetros a considerar para efectos de control son:

a) Sensibilidad: Relación entre el caudal de salida y la señal analógica de control en régimen permanente.

B) Constante de tiempo: Es el tiempo que tarda la válvula en alcanzar el régimen permanente, cuando se aplica un escalón de referencia.


Introducción

I/P

Servoválvula reguladora de caudal

Señal decontrolador

Actuador neumático

Vástago


Válvula neumática de asiento

Aire

Fluido

Obturador

Asiento

Bridas

Membrana

Vastago

Muelle

Tapa

Indicador

Cuerpo

ServomotorNeumático

Electrico

3 -15 psi


Válvulas de regulación

Aire Asiento o globo

Doble asiento

Aguja

Saunders

Compuerta

Mariposa

Camflex II

2 -3 vias

•Estanqueidad

•Presión máxima

•Capacidad de caudal

•Tipo de fluido

Fluido


Convertidor I/P

Aire 3-15 psi

IP4 - 20 mA

Poca precisión en

el posicionamiento

del vástago

Alimentación aire y

electrica


Posicionador

Posicionador

Alimentación de aire

Aire

Señal de control

4 - 20 mA


Funcionamiento

Se define en función de cómo debe accionar en caso de fallo del

suministro de energía. El factor a considerar es la seguridad en la

planta.

Si cuando falla el suministro de energía, la válvula se cierra,

entonces se trata de una válvula “cerrada en falla” (FC). En caso

que se abra, se trata de una válvula “abierta en falla” (FO).

En el caso de válvulas neumáticas (la energía que se le aplica es

aire comprimido), a la primera se le conoce como “aire para abrir”

(AO) porque requiere energía para abrirla. A la segunda como “aire

para cerrar” (AC) porque requiere energía para cerrarla.


Aire abre/cierra

Aire

Aire

Aire

cierra

Aire

abre

Aire

cierra

Aire

abre


Funcionamiento

Ejemplo: ¿Cómo debe operar la válvula cuando falle el suministro de

aire que le llega?

TIC

TTLíq.

Ti

T

u

Vapor


Funcionamiento

- Si el líquido es agua, se debe elegir una válvula “cerrada en falla”.

- Pero si se trata de un polímero, y se cierra la válvula en caso de

fallo del suministro de aire, la temperatura desciende y el polímero

se solidifica en el intercambiador, por lo tanto puede ser mejor elegir

una válvula “abierta en falla”.


Dimensionamiento

El tamaño de la válvula se obtiene en base al coeficiente de flujo de la válvula CV.

CV se define como la “cantidad de agua en galones U.S. que fluye por minuto a través de una válvula completamente abierta, con una caída de presión de 1 psi en la sección transversal de la válvula”.

Cuando ya se tiene calculado el CV requerido y se conoce el tipo de válvula a utilizar, se obtiene el tamaño del catálogo del fabricante.

Las ecuaciones para calcular CV presentan algunas diferencias de un fabricante a otro, en el caso de las que utilizan fluidos que se comprimen (gas, vapor).


Dimensionamiento

En el caso de válvulas que utilizan líquidos como fluido, CV se

calcula de:

Gf

CV = q -----

p

donde:

q = flujo de líquido en gpm U.S.

p = p1 – p2 caída de presión en psi en la sección de la válvula.

p1: presión de entrada a la válvula, p2 : presión de salida.

Gf = gravedad específica del líquido a la temperatura en que

fluye. Para agua Gf = 1 a 60 º F.


Dimensionamiento

En el caso que el flujo se de en lbm/hr

W

CV = -----------------

500 Gf p

donde W: flujo del líquido en lbm/hr.

El dimensionamiento debe realizarse con algo de sobrediseño, es

decir, cuando se abra completamente debe dejar pasar mas flujo

que el requerido en condiciones normales de operación. Por

ejemplo si se sobrediseña con un factor de 2:

qdiseño = 2 qrequerido


Ajuste de rango : R

Se define como la relación del flujo máximo que se puede controlar

y el flujo mínimo:

Qmax que se puede controlar

R = --------------------------

Qmin que se puede controlar

Generalmente varía entre 20 y 50, de manera que la válvula tenga

un efecto significativo sobre el flujo.


Selección de caída de presión de diseño

La economía impone el dimensionamiento de válvulas de control

con poca caída de presión. Sin embargo, la poca caída de presión

da como resultado mayores dimensiones de las válvulas, y por lo

tanto mayor costo.

Por lo que se requiere una solución de compromiso. Hay reglas

prácticas suministradas por los fabricantes.

En general, tales reglas, especifican que la caída de presión de

diseño en la válvula debe ser de 20 al 50% de la caída dinámica de

presión total en todo el sistema de conductos. Generalmente se

emplea el 25%.


Características de flujo

Las válvulas según las características de flujo se clasifican en base a la

relación entre la posición del vástago S en % y el flujo Q en %.

De aberturarápida

Lineal

De igualporcentaje

Caudal: 1Q/Qmax

Posición del vástago : S/Smax0

1



De abertura rápida: Produce un gran flujo con un desplazamiento

pequeño del vástago. Utilizado para aplicaciones on – off. No es

buena para regulación.

Lineal: Produce un flujo directamente proporcional al

desplazamiento del vástago de la válvula.

Q S

------- = -------

Qmax Smax

Usada en procesos donde el p a través de la válvula es bastante

constante. Ejm: en el control de nivel.



De igual porcentaje: Un porcentaje de cambio en la posición del

vástago produce el mismo porcentaje en el cambio de flujo.

Es decir, cuando la posición del vástago se incrementa en 1 % al

pasar del 20 al 21 %, el flujo se debe incrementar en 1 % respecto

del valor que tenía en la posición del 20 %; si la posición se

incrementa en 1 %, al pasar del 60 al 61 %, el flujo se incrementa

en 1 % respecto al valor en la posición del 60 %.

Q = Qmin R S/Smax

Son las más comunes usadas cuando el p tiene grandes

variaciones.


Algunos tipos de válvulas

Válvula de globo



Válvula de mariposa



Válvula de diafragma



Válvula de compuerta



Válvula de bola


Cavitación

El fenómeno de la cavitación aparece cuando a un líquido que fluye a través de una tubería se le estrangula el paso mediante una válvula de control, éste aumenta su velocidad de manera considerable (principio de conservación de la masa).

Este aumento de velocidad conlleva una pérdida de presión (principio de conservación de la energía).

Si esta pérdida de presión baja por debajo de la presión de saturación del fluido, parte de éste produce burbujas de vapor que buscan zonas de mayor presión donde colapsan bruscamente.

Estas zonas suelen ser la propia válvula de control e inmediatamente después de ella, puesto que la presión se recupera al disminuir la velocidad a su valor inicial.


Cavitación

longitud

presión P1

P2

presión de saturaciónPS

V2

V1


Cavitación

En este proceso, las burbujas de vapor forman una zona de cavitación estática la cual varía de longitud en función de la presión diferencial. Las implosiones de burbujas de vapor producen lo que se conoce como micro-jets (pequeñas porciones de fluido propulsadas a gran velocidad y de vida muy corta, máximo varios milisegundos), éstos cuando golpean un material sólido, por ejemplo el cuerpo de una válvula, causan daños y desgaste. Incluso pueden eventualmente llegar "a comerse" el cuerpo de la válvula, especialmente en válvulas de control que redireccionan el fluido.

Si la cavitación es inevitable, lo que se puede hacer es tomar medidas que ayuden a reducir el desgaste (por ejemplo estillitar el asiento y obturador cónico de las válvulas de globo ó reducir el diámetro del asiento). Por otro lado, como el daño causado es efecto inmediato de las burbujas implosionando dentro de la válvula, también será razonable separar la zona de cavitación de la válvula de control.


Cavitación

Valor Z: valor directamente ligado a la cavitación en válvulas de

control.

El valor z es el que determina y nos permite conocer, cuando un líquido

al pasar a través de una válvula de control cavitará.

Los márgenes de variación del valor z van de 0 a 1, siendo mucho más

favorable para evitar la cavitación cuanto más se aproxime a 1.

El valor z se obtiene mediante pruebas en laboratorio y debe de

facilitarlo el fabricante de cualquier tipo de válvula de control.

Si el valor Xf es mayor que el valor Z, la válvula cavitará.

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