VÁLVULAS DE CONTROL CONCEPTOS BÁSICOS1.1. COMO ACTÚA UNA BOMBA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO

1.2. COMO ACTÚA LA VÁLVULA DE CONTROL EN UN SISTEMA HIDRÁULICO

1.3. ¿QUÉ ES EL CV DE UNA VÁLVULA DE CONTROL?1.4. FILOSOFÍAS DE CONTROL    

1.1. COMO ACTÚA UNA BOMBA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO

 Esta es la curva típica de una bomba cuando gira a una velocidad determinada.

 La velocidad de giro la establece el motor al que está

enganchada la bomba.

El motor siempre girará  a la misma velocidad, mientras no haya un variador de frecuencia eléctrico conectado al motor.

Si disponemos de un variador de frecuencia conectado al motor la bomba tendrá una curva distinta en función de la velocidad del motor, tal y como se muestra en el siguiente dibujo:

                                                      (CON VARIADOR)

Si consideramos que la velocidad del motor es siempre la misma. La curva de la bomba podría ser algo parecido a esto:

En el eje horizontal de la gráfica mostramos el caudal, y en el eje vertical la altura de elevación.

La altura de elevación es proporcional a la presión que conseguimos en la impulsión de la bomba, es algo así como los metros que la bomba es capaz de elevar el agua.

Por ejemplo si quisiéramos que la bomba del dibujo, bombera agua al depósito situado a 3 metros por encima, despreciando la resistencia del sistema al paso del fluido (resistencia dinámica) , estaríamos en el punto que se indica en el dibujo:

Nuestra bomba bombearía un caudal de 5,5m3/h.

La recta que hemos marcada en rojo es lo que llamamos la perdida de carga del circuito, el punto donde corta con la curva de la bomba marca el punto de funcionamiento.

1.2. COMO ACTÚA LA VÁLVULA DE CONTROL EN UN SISTEMA HIDRÁULICO

         En la realidad la perdida de carga nunca es una recta, siempre es una curva ascendente. Como se muestra en la siguiente gráfica.

Esto es debido a que la bomba además de vencer la altura de 3 metros (valor fijo) también tiene que vencer la fuerza de oposición del circuito (tubería) al paso del fluido, y esto ya no es un valor constante, aumentará exponencialmente a medida que aumente el caudal.

Es importante entender los dos puntos marcados en la gráfica.

En el “punto A” el caudal es cero y la presión es máxima. En este caso la bomba no consigue vencer la oposición del circuito. Es el típico caso de una bomba trabajando contra una válvula cerrada.

En el “punto B” el caudal es máximo y la presión mínima. En este caso la oposición al paso del fluido es mínima. En el ejemplo la válvula estaría totalmente abierta.

En base a la explicación anterior, a medida que una válvula situada en la impulsión de una bomba va cerrando. 

La curva de la perdida de carga del circuito se va haciendo más vertical, por lo que la presión aumentará y el caudal disminuirá, acercándonos al “Punto A”.

Y medida que la válvula va abriendo, la curva se va volviendo más plana; el circuito deja de oponerse al paso del fluido, por lo que la presión disminuirá y el caudal aumentará, acercándonos al “Punto B”.

Si medimos los valores de presión en distintos puntos del circuito con la válvula medio abierta tendremos algo así.

-En el “punto 1” en la aspiración de la bomba, la presión será muy baja (0,5 barg).

-Si embargo en el “punto 2” la impulsión de la bomba, la presión será la máxima del circuito (10 barg).

-Al final de la línea antes de la válvula, la presión habrá caído un poco, principalmente en función del diámetro y longitud de la tubería (8 barg) -Justo después de la válvula de control la presión será menor aún (2 barg), debido a la caída de presión originada por el estrechamiento de la propia la válvula.

Contra más caída de presión genere la válvula menos caudal pasará.

"Para que una válvula pueda regular el caudal de un sistema es necesario reservarle una suficiente caída de presión en la fase de diseño"

 Esta caída de presión es energía perdida que se retiene en la válvula. Es importante entender que esto nos permitirá tener disponible una reserva de presión, por si el sistema lo requiere.

Imaginar que a la válvula no se ha reservado un caída de presión suficiente: En este caso cuando la bomba no dé el caudal requerido, (porque por ejemplo ha aumentado la demanda de agua), aunque se abra más la válvula, si la caída de presión en la válvula es muy pequeña en comparación con la caída total del sistema, apenas notaremos un incremento en el caudal.

Por ello debemos entender que las válvulas de regulación actúan como un banco de presión. Retienen la presión del sistema para poder disponer de presión cuando se requiera.

Nota: Para entender como calcular la caída óptima que se debe reservar a una válvula de control, os recomiendo leer el artículo de J.R. Conell (Para el instituto de tecnología de Alberta) “CAIDAS DE PRESIÓN REALISTA EN LAS VÁLVULAS DE CONTROL”, se puede encontrar fácilmente en Español en internet.

 Las recomendaciones dicen que como mínimo se debe reservar a la válvula un 10% de la presión total disponible y un 20% en líneas muy largas.

Por ejemplo en nuestro circuito:

En este caso se recomienda reservar una caída de presión a la válvula de al menos 1 ó 2 bares (el 10% de 10 barg).

1.3. ¿QUÉ ES EL CV DE UNA VÁLVULA DE CONTROL?

La capacidad de una válvula de dejar pasar más o menos fluido la llamamos “Cv” (o “Kv”, o coeficiente de caudal)

EL Cv es caudal de agua que la válvula dejaría pasar si la presión diferencial fuera un valor determinado. Realmente el Cv se define como los galones por minuto de agua que pasarían por la válvula si establecemos una caída de presión 1 psi.

A mayor CV menor caída de presión habrá en la válvula y más caudal pasará.

Las válvulas de control regulan estrangulando el paso del fluido y su CV dependerá del porcentaje de apertura de dicha válvula, por lo que todas las válvulas tendrán un curva que determinará el CV en función del porcentaje de apertura. (A mayor CV la válvula estará más abierta).

No obstante se suele dar siempre como dato aparte el CV calculado que corresponde al 100% de apertura y los CV calculados en los distintos puntos de operación indicados en la hoja de datos de la válvula (que suelen ser las condiciones de caudal mínimas, máximas. y normales de operación).

En función de la forma de la curva del CV con respecto al porcentaje de apertura de la válvula podemos clasificar las válvulas en tres grupos.

-Apertura rápida.- Lineal.-Isoporcentual.

La apertura rápida es más típica en válvulas todo-nada que en válvulas de control, principalmente en válvulas de seguridad.

Para válvulas de control es común especificar una respuesta lineal o isoporcentual.

Por ejemplo para el control de presión se puede especificar la válvula con una característica isoporcentual, ya que la válvula suele trabajar entorno a un mismo punto de funcionamiento por ejemplo sobre 60% de apertura. Sin embargo en un control de temperatura o de nivel se puede especificar que la respuesta de la válvula sea lineal, ya que en este caso la válvula puede que trabaje en todo el rango por igual.  

1.4. FILOSOFÍAS DE CONTROL

Paso uno, ¿Qué queremos hacer con la válvula de control?

        Lo primero que surge es una necesidad; dentro de un diagrama de proceso, un ingeniero de procesos se da cuenta que, para la correcta operación de su planta en un punto en concreto del diagrama, se requiere de una válvula de control. (Eso, o puede que se esté dando el extraño caso de que esté copiando el P&ID de otro proyecto donde alguien ha puesto una válvula de control)

Bueno… por lo que sea se necesita una válvula de control…

Tras surgir esa necesidad se debe estudiar qué filosofía de control es la más apropiada para dicho caso. Hay varias filosofías de control; todo-nada, posiciones intermedias, regulación…

a) Todo-nada: Una regulación todo-nada, se realiza normalmente mediante una válvula todo-nada, esta válvula solo tiene dos posiciones, o abre (dejando pasar el fluido) o cierra (cerrando totalmente el paso del fluido). Esto es típico en lazos de control donde no queremos un control muy fino de la variable de proceso, por ejemplo el control del nivel de un tanque.

En un tanque normalmente no nos importa mucho que el nivel se mantenga siempre constante, podemos jugar con cierto margen y así no tendremos que estar echando continuamente agua. 

Cuando el nivel este por debajo de un valor (Nivel A) echamos un poco hasta que supere otro valor (Nivel B).

La diferencia entre el nivel A y nivel B la llamamos histéresis. 

 (Nivel A – Nivel B)= Histéresis.

Por ejemplo: Vamos a controlar el nivel de un tanque de agua.

El nivel no debe bajar de 3m, y lo controlaremos con una histéresis de 2 metros (2+3=5metros).

Cuando el nivel baje de 3 metros, llenaremos el tanque abriendo la válvula todo-nada hasta alcanzar los 5 metros.

Una vez  hemos llegado de nuevo a los 5 metros de altura no volveremos a abrir la válvula hasta que el nivel vuelva a bajar de los 3 metros. Esto nos permitirá tener las bombas de aporte paradas mientras no se requiera abrir la válvula.

Nota: Se suele instalar una válvula manual antes y después de una bomba para poder aislarla del proceso encaso de mantenimiento. En algunas ocasiones se puede cerrar un poco la válvula situada en la impulsión de la bomba para dejar calibrado el punto de funcionamiento donde más nos interese.

b) Válvula de regulación: Cuando necesitamos un control más fino del sistema y se requiere que la variable medida permanezca en un punto determinado, ya no nos valdrá utilizar histéresis, y utilizaremos una válvula de control o válvula de regulación. A esta válvula le estableceremos un set-point determinado que debe intentar mantener a base de estrangular más o menos el paso del fluido.

Estás válvulas pueden ser auto-reguladas, controladas con un posicionador eléctrico o controladas con un posicionador neumático.

En esta filosofía se requiere siempre de medir una variable de proceso. Que deseamos mantener en un valor determinado. 

El valor que queremos mantener lo llamaremos set-point del lazo de control. (por ejemplo 5m)

Un ejemplo típico es medir el nivel con un transmisor que le cuente al controlador de la válvulas que nivel hay. En base a dicha información la válvula intentará mantener el set-point de 5 metros. Para ello la válvula tendrá que ir abriendo y cerrando echando más o menos agua al sistema.

Si nos fijamos en el ejemplo del dibujo, el nivel de agua a la vez que sube por el aporte de agua de la bomba de la izquierda bajará por la succión de la bomba de la derecha.

Cuando el nivel baje más de 5metros la válvula irá abriendo progresivamente hasta que se alcance el nivel requerido. Según nos vamos acercando a los 5 metros la válvula ira cerrando.

Nota: En este caso la programación de la válvula más el transmisor forman el lazo de control.

            c) Control en cascada: Este tipo de control de un lazo es más rápido que el anterior porque se adelanta a la variación de la propia medida. Para hacer este tipo de control, necesitaremos de más información del proceso.

La mejor forma de entenderlo es con un ejemplo:

Vamos a controlar el tanque anterior con una filosofía en cascada. En esta ocasión disponemos de un transmisor de nivel y de dos transmisores de caudal que nos indicarán cuanta agua estamos sacando del tanque y cuanta estamos metiendo.

En un lazo simple de nivel, la válvula vería que la variable medida son 5 metros y como el Set-Point (el nivel que queremos tener) es 5 metros, la válvula pensaría está perfecto y cerraría.

En un control en cascada el control se adelanta al proceso (a la variable medida). En este caso la válvula ve que la variable medida está donde queremos pero también se da cuenta que el caudal que está saliendo es mayor que el que está entrando por lo que el nivel no tardará en bajar. Por ello en vez de cerrar (como haría un lazo simple) abrirá adelantándose al proceso y evitando que el nivel baje, intentando igualar el caudal de entrada al caudal de salida para que el nivel se mantenga en los 5 metros. Esto es lo que llamamos, control en cascada.

Nota: El control del by-pass de una turbina es un ejemplo de control en cascada

d) Posiciones intermedias:Esto se suele utilizar cuando lo que queremos es establecer distintos puntos de operación.

Por ejemplo, establecemos 3 puntos de operación en el control de la temperatura de una casa a través de una válvula. Estos puntos corresponden a la mañana tarde y noche. Por la mañana ponemos la válvula al 50%  al mediodía al 10% y por la noche al 80%. Esto nos permite que durante la noche y la mañana caliente más y que al mediodía mantenga un poco la temperatura.

Este sistema de regulación es muy sencillo y no requiere de una regulación modulada de ninguna variable.

Para un control por posiciones intermedias, el actuador es mucho menos exigente ya que su respuesta no tiene que ser inmediata.    

e) Control partidoEste tipo de control es típico cuando el set-point (el valor que se requiere) tiene un rango muy amplio.

Por ejemplo queremos regular el caudal de una línea entre un valor muy alto y un valor muy bajo. 

Las válvulas de control no suelen regular bien por encima del 90% de apertura y por debajo del 10%.

Si hemos seleccionado una válvula con capacidad para regula bien en caudales altos no va a poder regular correctamente en caudales muy bajos. Para ello se utiliza el control partido. En este tipo de control se

suele colocar dos válvulas de regulación en paralelo una más pequeña que la otra.

 

La válvula pequeña se utilizar para regular el caudal por debajo de un valor. Y cuando el caudal supere un valor determinado esta válvula comenzará a cerrar y empezará a regular la válvula más grande.

 

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