Marco para Selección de Valvulas neumáticas

Selección de Valvulas neumáticas

Para escoger apropiadamente una válvula, los usuarios deben comprender sus características, considerar sus factores críticos, y considerar algunos problemas comunes y soluciones a los mismos en la selección de válvulas solenoides y su mantenimiento. Que es una Valvula solenoide Una válvula solenoide es un dispositivo electro-mecánico que se energiza o desenergiza para abrir o cerrar el orificio de la válvula. Está diseñada para controlar el flujo de aire, agua, aceite, gas, vapor; prácticamente cualquier substancia líquida o gaseosa.

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La selección apropiada inicia considerando qué tipo de operación es más conveniente para su aplicación. Las válvulas de acción directa abren o cierran por acción directa sobre el núcleo móvil; aquellas de acción pilotada, para líneas más largas y presiones mayores, sustituyen la acción directa utilizando la presión de la línea para abrir orificios más grandes manteniendo el tamaño del solenoide pequeño. Las válvulas normalmente cerradas, abren cuando son energizadas y cierran cuando no; las normalmente abiertas actúan exactamente al contrario.

Las válvulas de dos vías tienen una conexión de entrada y una de salida, pueden ser normalmente abiertas o cerradas. Las válvulas de tres vías tienen tres conexiones y dos orificios, también pueden ser normalmente cerradas, abiertas o universales (aquellas que pueden ser normalmente cerradas o abiertas según conexión).  Aplicaciones comunes incluyen el suministrar presión hacia o desfogar presión desde las válvulas de control, actuadores o cilindros de simple efecto. Las válvulas de cuatro vías tienen 4 o 5 conexiones (una de presión, dos de trabajo y uno o dos desfogues) para operar cilindros o actuadores de doble acción.

Selección adecuada de las válvulas direccionales neumáticas

Existen diez parámetros básicos que definen las principales características de funcionamiento y rendimiento de las válvulas direccionales neumáticas, y que es preciso presentarlos para establecer criterios de comparación entre los mismos productos de distintos fabricantes:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Número de vías y posiciones. Tamaño (caudal). Tipos de mando. Características de presión. Montajes. Frecuencia de actuación. Solenoides. Temperaturas de uso. Modularidad. Repuestos.

1) Número de vías y posiciones El número de vías y posiciones se indica, según normas IRAM 4542 e ISO 1219, mediante dos cifras separadas por una barra, por ejemplo: 2/2, 3/2, 5/3, etc. El primer dígito indica el número de vías u orificios de la válvula, sin contar los de pilotajes; la segunda cifra muestra el número de posiciones distintas que puede adoptar el distribuidor de la válvula en forma estable o no. Una válvula 3/2 se emplea como emisora de señales, selectora de circuitos, selectora de presiones, para actuar un cilindro de simple efecto, etc. En cambio, para comandar un cilindro de doble efecto se precisa una válvula 4/2 ó 5/2. Las válvulas de 5 vías tienen la ventaja respecto a las de 4 vías de poseer un orificio de descarga para cada utilización, por lo que pueden regularse los escapes en forma independiente. Las válvulas de 3 posiciones permiten detener cilindros neumáticos en puntos intermedios de su carrera, presentan las variantes de centro abierto, centro cerrado y centro a presión. En el primer caso, la posición central comunica las utilizaciones con los escapes, en consecuencia, el cilindro queda detenido sin presión y su vástago puede ser movido a mano.

En contraste, en válvulas de centro cerrado, en la posición central se obstruyen todas las vías y el cilindro queda bloqueado en su posición con presión en ambas cámaras, con la relativa precisión que da el hecho de que el aire sea compresible. Finalmente, en las válvulas con centro a presión en la posición central, el aire de alimentación a la válvula queda conectado a las bocas de utilización del actuador, permaneciendo entonces a presión ambas cámaras del mismo, mejorando significativamente su posicionamiento.

2) El tamaño de las válvulas Es lo que suele presentar más inconvenientes, porque varios son los criterios que pueden utilizarse para definir la capacidad de las mismas. Un criterio práctico puede regirse por la elección de la válvula según su conexión y el diámetro del actuador. Se tendrá por ejemplo:

Las combinaciones establecidas en la misma constituyen sólo un lineamiento general para el dimensionado, con las cuales se alcanzan en los actuadores velocidades satisfactorias para aplicaciones normales, con longitudes de tuberías razonables.

Frente a exigencias específicas de velocidad, no es suficiente elegir a las válvulas por su rosca de conexión. Para realizar un análisis de caudales se suele encontrar tres magnitudes que representan las capacidades de las válvulas Kv, Cv y Qn: El factor Kv representa el caudal de agua en litros por minuto que pasa a través de la válvula con una pérdida de carga de 1 bar, medida entre la en trada y la salida de la misma. El factor Cv es el equivalente británico del factor Kv, y significa el caudal de agua en galones por minuto (gpm) que pasa por la válvula cuando la caída de presión en ella sea de 1 psi (1 lb/pulg2). El caudal nominal Qn representa el caudal de aire normal en Nl/min que pasa por la válvula con una presión de alimentación de 6 bar y una pérdida de carga de 1 bar, esto es con presión de salida de 5 bar. Suele expresarse también en otras unidades equivalentes, tales como N3m/h, Nl/seg, etc.

Existen factores que permiten convertir las características de caudal de un sistema a otro. La tabla siguiente relaciona valores de Qn con los respectivos de Kv y Cv.

Existe otra característica que da idea del tamaño de la válvula: el diámetro nominal, el cual indica la sección mínima del pasaje principal de la válvula. Esta dimensión tomada en forma aislada puede resultar engañosa, puesto que no significa que la válvula tenga un pasaje equivalente de tal diámetro y, por lo tanto, una pérdida de carga de acuerdo a eso, sino que su caída de presión dependerá de cuan intrincados sean sus pasajes internos más que de su diámetro nominal. Por estos motivos, hoy se ha dejado de utilizar y se ha dado paso a las de arriba mencionadas.

3) Tipos de mandos Los grandes grupos de señales de mando o pilotaje son:   

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Mando manual: botón pulsador, botón rotante, golpe de puño, palanca, pedal, etc. Mando mecánico: esfera, varilla, palpador, rodillo, rodillo escamoteable, directo, etc. Mando neumático: directo o indirecto por servomando, es actuado por presión o depresión neumática. Mando eléctrico: con solenoides de acción directa o indirecta, accionando un servomando neumático.

4) Características de presión Una válvula neumática suele poseer más de una característica de presión: Por presión de trabajo se entiende el rango de presión definido por una mínima necesaria y una máxima admisible dentro del caudal en el que debe funcionar la válvula. Por el contrario, la presión de pilotaje es el rango de presiones con el que la válvula puede conmutar sus posiciones, cuando es accionada por señales neumáticas o electroneumáticas.

La presión mínima de pilotaje  es el menor valor de presión que debe estar presente para garantizar la conmutación segura de la válvula. Para sintetizar estos conceptos en un ejemplo, se puede tener una válvula cuya presión de trabajo va de 0 a 10 bar y su presión de pilotaje de 2,5 a 8 bar, valores que dependen de su propia construcción. Si se deseara trabajar esta válvula con una presión de trabajo de 2 bar, será posible hacerlo sólo si se recurre a alimentar en forma independiente los pilotajes con una p resión comprendida entre 2,5 bar mínimo y 8 bar máximo, mientras que en las utilizaciones se puede estar conduciendo el fluido a 2 bar y aún menos.

Aplicaciones comunes y características. La válvula solenoide es el dispositivo automático más eficiente en las aplicaciones de control de flujo para líquidos y gases. Su montaje requiere de tubería y conexión eléctrica. En contraste, las válvulas de proceso (bola, mariposa, etc.) necesitan no solamente su propio montaje sino también un actuador o cilindro y una válvula solenoide. Los usuarios deben considerar los factores básicos del tipo de válvula, su operación eléctrica, fluido a controlar, tamaño de la misma, presión de la línea, atmósfera de montaje, temperatura de trabajo, voltaje de alimentación y algunas opciones como encerramientos para áreas clasificadas.

Presión de trabajo: Se debe considerar la válvula que más se aproxime a las condiciones de trabajo de la aplicación: no solamente se perdería dinero con una selección errónea, sino que también la válvula podría no funcionar adecuadamente. Válvula de dos vías (no bidireccional): Las válvulas de dos vías se diseñan para controlar el flujo en una sola dirección. Se deben instalar para trabajar en la dirección indicada por el fabricante, de otra manera su operación puede ser ineficiente o imposible.

Medios contaminados: La contaminación de la línea es comúnmente el problema más recurrente en válvulas solenoides. La mayoría de las válvulas se diseñan para trabajar con fluidos limpios (se debe consultar al fabricante para cualquier excepción de este tipo). Si es posible, es mejor instalar la solenoide en forma vertical para prevenir acumulación de impurezas en el núcleo. Si hay probabilidad de contaminación, se debe instalar un filtro aguas arriba de la entrada de la válvula y hacer mantenimiento preventivo. Sobrevoltajes / insuficiencia de voltaje: Las válvulas solenoides se construyen para trabajar con +/- 10% del voltaje nominal. Voltajes insuficientes pueden causar fallas en la acción de la válvula, exceso de ruido, estancamiento o reducción de su vida útil. (Para verificar que el voltaje es el adecuado, al energizar la válvula se debe escuchar un click que se atribuye a la acción del núcleo móvil en la apertura o cerramiento). El sobrevoltaje causará calentamiento, fallas prematuras del solenoide y vida útil reducida. Capacidad de flujo incorrecta: Sobredimensionar la válvula resulta en gastos innecesarios, tanto subdimensionar como sobredimensionar resultan en un desempeño pobre de la misma. Factores como el tamaño del orificio y configuración de la válvula se combinan en el factor de flujo o Cv. Se debe calcular el Cv necesario para su aplicación o consultar al fabricante. Reemplazo inadecuado en equipos de OEMs:Muchas válvulas solenoides en productos de OEMs son diseñados para trabajar en un medio específico y con un fluido especial; si se reemplazan de manera inapropiada, se puede incurrir en disminución de su vida útil, daño al mismo equipo o incluso lesiones personales. Caída de presión insuficiente: Otro problema común se presenta cuando no existe la diferencia de presión mínima entre la entrada y salida de la válvula (o entre la entrada y el desfogue para el caso de válvulas de tres o cuatro vías) para la apertura o cierre de la misma. Cuando se especifica una válvula, se debe asegurar que puede operar con las mínimas y máximas presiones diferenciales de la aplicación. Se debe prestar especial atención a las restricciones del sistema respecto de velocidad de controles y reguladores, los cuales pueden reducir dramáticamente la presión que llega a la válvula y así mismo no alcanzar la presión diferencial mínima de trabajo. Selección errónea de la operación eléctrica: Se deben considerar las opciones eléctricas especiales cuando la aplicación lo necesite. Las válvulas solenoides básicas proveen control eléctrico simple ON/OFF. Los modelos con reset manual añaden esta acción para usos críticos. Las barreras intrínsecamente seguras se usan para trabajar con muy poca potencia eléctrica y así asegurar la eliminación de chispas en atmósferas potencialmente explosivas. Materiales de construcción inadecuados: Se debe asegurar que todos los componentes en contacto con el fluido y expuestos a la atmósfera sean compatibles con la aplicación. Por ejemplo, no se debe emplear una válvula de control de aire para manejar combustible donde realmente se necesita una válvula de combustión. Las válvulas especiales para aplicaciones demandantes están disponibles en acero inoxidable, plástico y una variedad importante de materiales resistentes (incluyendo NBR, neopreno, FKM o PTFE). Aspectos de la atmósfera: Las válvulas solenoides para ambientes potencialmente explosivos o demandantes utilizan construcciones especiales para evitar altas temperaturas y chispas. Incluyen encerramientos especiales de las solenoides, fusibles térmicos, bobinas de baja potencia o actuadores neumáticos en vez de solenoides. Opciones de potencia eléctrica: Las válvulas solenoides tienen una amplia gama de opciones de alimentación eléctrica en AC o DC. Nótese que por diferencias en la construcción interna, las válvulas para voltajes AC no pueden ser convertidas para trabajar con voltajes DC, simplemente cambiando la bobina. Nuevos desarrollos. Las válvulas solenoides son utilizadas en la mayoría de procesos conocidos y como tal, se realizan adaptaciones para utilizarlas en nuevas aplicaciones. Existen válvulas piloto de construcciones especiales que conducen la corriente eléctrica de paneles solares, corriente usada en plataformas petroleras. Otro tipo de

válvulas ofrecen comunicación inalámbrica con varios protocolos: Devicenet, Profibus, Foundation Fieldbus, para el completo control sobre la válvula. El más reciente diseño define una nueva categoría (sólo 2 W de potencia) e incorpora electrónica integrada. Este nuevo diseño permite tener los mismos rangos físicos y eléctricos de una válvula AC en una válvula DC.  Algunas aplicaciones donde los rangos físicos no se cubren a cabalidad por las válvulas solenoides, necesitan de válvulas neumáticas pilotadas por solenoide (válvulas de pistón y cuerpo angular) que son ideales para este tipo de aplicaciones: fluidos altamente corrosivos, vapor y fluidos contaminados. Se puede encontrar en aplicaciones industriales como lavanderías y plantas de proceso industrial.

5) Montajes Los tipos de montajes más frecuentes en válvulas direccionales neumáticas son:    

Válvulas con conexiones en el cuerpo. Válvulas con base unitaria de conexionado. Válvulas con bases de montaje múltiple o en manifold. Islas de válvulas.

En el caso de válvulas con conexiones en el cuerpo, las roscas de conexionado están mecanizadas sobre el mismo cuerpo de la válvula. Esta simplicidad de conexionado, utilizada en muchísimas aplicaciones, encuentra su complicación cuando se requiere una alta productividad de fabricación que priorice los tiempos de cambio de válvula al momento d e una reparación, además de una reducción de posibles fugas, a causa de su conexión por reparar repetidamente la misma válvula con el consiguiente desconexionado/conexionado de sus conectores.

Las válvulas de conexionado con bases solucionan lo mencionado anteriormente, debido a que en este caso sólo debe cortarse la alimentación de aire comprimido, sin necesidad de desconectar las conexiones y tuberías.

Por otra parte, respetando normativas de conexionado, solucionan rápidamente y de forma conveniente el reemplazo de partes, puesto que la geometría de la interfase entre cuerpo y base se encuentra normalizada por normativas tales como ISO 5599/1 y VDMA 24345. Esto es significativo, debido a que admite el reemplazo de válvulas de cualquier fabricante que cumpla con estas normativas, sin ninguna modificación en las conexiones o fijaciones de las válvulas. Los montajes en manifold resultan ideales para economizar costos, espacio y tiempo de conexionado, porque conducen la alimentación y los escapes por conductos comunes para todas las válvulas. Se logra también una instalación compacta por un tendido racional de las tuberías, ideal para tableros de comando.

Mediante la centralización de un grupo de operaciones afines, las estaciones de válvulas cuentan con un conexionado eléctrico más ordenado, reduciendo tiempos de conexionado eléctrico en operaciones de montaje, mantenimiento y detección de falla. Conjuntamente a las ventajas en cuanto al montaje, las estaciones de válvulas aceptan la interrelación entre las diferentes unidades y el control central del sistema automatizado a través de buses de campo. 6) La frecuencia de actuación La frecuencia de actuación es un dato que refleja la rapidez de la válvula para conmutar sus posiciones. Generalmente, expresada en ciclos por segundo (Hz), significa la cantidad de veces que en la unidad de tiempo la válvula puede conmutar, o lo que es lo mismo, cambiar su estado o posición y retornar al origen, habiendo alcanzado en las bocas de utilización la presión nominal. El tiempo de respuesta o tiempo de conmutación, siendo la conversión:

No debe interpretarse que una válvula con una frecuencia de actuación de 20 Hz, conectada a un cilindro neumático pueda producir 20 avances y retornos en un segundo, porque hay inercias a vencer del vástago y pistón; el llenado y la evacuación del aire de las cámaras y tuberías tienen su propia velocidad. Este dato sólo cobra importancia cuando existan exigencias de velocidad en la transmisión de señales por parte del circuito o éste sea controlado mediante componentes electrónicos del bus de campo. 7) Solenoides

Varios son los elementos de entrada que definen una correcta elección del solenoide. El valor de tensión de trabajo del solenoide resultará importante mantenerlo en un rango de tolerancia que no supere en un ± 10% de su valor especificado, para mantener el llamado ED del solenoide que representa el tiempo de conexionado del mismo. Dichas propiedades se encuentran homologadas bajo distintos entes certificadores tales como UL y CE. Otra característica importante es la potencia necesaria en el solenoide, para lograr utilizar la válvula satisfactoriamente. MICRO ofrece distintos modelos de solenoides que permiten operar las válvulas con una energía que puede ser de 1 o hasta 10 Watt, sin considerar los solenoides piezoeléctricos que consumen 0,001 Watt.

 Asimismo, a la hora de elegir un solenoide será significativo precisar el grado de protección descripto bajo normativa, que define la capacidad del componente a resistir el ataque de cuerpos sólidos y líquidos de diferentes tamaños y contexturas.

Por otro lado, desde el punto de vista de la seguridad operativa, deberá precisarse el modo de protección del solenoide si este fuera utilizado para ambientes peligrosos, existiendo para ello distintos modos de protección, a saber, encapsulado, y los de modo de protección con seguridad intrínseca y tecnología piezoeléctrica. 8) Temperatura de uso La característica de temperatura define el campo dentro de l cual debe funcionar la válvula. El condicionamiento de temperaturas admisibles está dado fundamentalmente por dos aspectos: los materiales empleados en los sellos de estanqueidad, y los diferentes coeficientes de dilatación, correspondientes a las partes en movimiento con reducidos huelgos. Para las electroválvulas será trascendente verificar que en el bobinado de los solenoides se empleen alambres con aislaciones adecuadas, por ejemplo, case H. La característica de conexionado ED de las electroválvulas debe ser preferiblemente del 100% para asegurar una mayor vida útil del componente, aún en servicio continuo.  Análogamente, el material utilizado para el encapsulado debe poseer un alto poder de transmisión del calor para evitar el recalentamiento innecesario del bobinado, el envejecimiento de la aislación y su posterior falla por cortocircuito. 9) Diseño modular  El concepto de diseño y construcción modular en válvulas reviste suma importancia. Por ejemplo, en el caso en el que sea preciso modificar en un circuito la naturaleza de las señales de mando, ya sea en la etapa de puesta en marcha o en la operación de una instalación. Allí es cuando toma jerarquía la idea de modularidad, pues siempre será más económico reemplazar una cabeza de mando o reacción que una válvula completa, y esta posibilidad queda abierta o no en una selección inicial adecuada.

10) Repuestos  Algo que habitualmente no se tiene en cuenta en la selección de válvulas es el mantenimiento posteri or de la misma, estrechamente ligado a la disponibilidad de repuestos legítimos del fabricante. Una válvula neumática, si bien es diseñada para desarrollar un elevadísimo número de maniobras, posee partes en movimiento que como tales sufrirán desgaste, más aún si las condiciones de servicio no son las ideales. Por lo tanto, es muy significativo trabajar con componentes de los cuales se pueda disponer de los kits de reparación y repuestos originales en el futuro, en forma rápida, y que garanticen la confiabilidad e intercambiabilidad.