Valvula de Control Automatico

 

UNIDAD VIII

Válvulas de Control   Automático 

 

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Indice 

Índice Unidad VIII : “Válvulas de Control Automático”  1. INTRODUCCI INTRODUCCIÓN... ÓN......... ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ........ 1 2. OBJETIVOS.... OBJETIVOS........... ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............. ............. ...... 1 2.1. CAPACI CAPACIDAD DAD DE UNA VÁLV VÁLVULA ULA ....... ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............ ........... ..... 1 2.2. RANGE RANGEABILI ABILIDAD DAD...... ............ ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............. ....... 1 2.3. PARTE PARTESS DE UN UNAA VÁLVU VÁLVULA LA DE CO CONTRO NTROL.... L........... ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ........... ..... 2 2.3.1. 2.3. 1. VÁLVU VÁLVULA........... LA................. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ........ .. 3 2.3.2.. ACTUA 2.3.2 ACTUADOR DOR ...... ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............ ............. ............. ............ .......... .... 4 2.4. POSIC POSICIONAD IONADOR OR DE VÁLVULA....... VÁLVULA............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ...... 5 2.4.1.. ¿POR Q 2.4.1 QUÉ UÉ USA USAR R UN PPOSICI OSICIONADO ONADOR? R? ....... ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ........ 6 2.5. ACCIÓN DE LA VVÁLVU ÁLVULA............ LA.................. ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............. ......... 7

 

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UNIDAD VIII  “VÁLVULAS DE CONTROL CONTROL AUTOMÁTICO”  1.  INTRODUCCIÓN Unaflujo válvula de control elementoEndeun control másdecomúnmente para regular el de material enesunelproceso. lazo final cerrado control, es usado 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. 2.  OBJETIVOS Reconocer las partes de una válvula de control. !  Identificar las características de las válvulas de control y posicionadores de válvula.

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2.1.  CAPACIDAD DE UNA VÁLVULA Los fabricantes han adoptado un término para indicar las capacidades de variación del flujo en las válvulas de control. Para este propósito se define el coeficiente Cv Cv.. Cv =q/ [ ( P/ G)1/2 ] En donde q es el flujo volumétrico a través de la válvula (caudal) en galones por minutos, "P es la caída de presión a través de la válvula en psi (incluyendo las pérdidas en la entrada y la salida) y G es la gravedad específica del fluido. Dicho de otro modo, es el número de galones por minuto de agua a temperatura ambiente que pasará a través de una restricción con una caída de presión de 1 psi; por ejemplo, una válvula de control en la que al estar completamente abierta circulan 25 gpm de agua con una caída de presión de 1 psi, tiene un coeficiente máximo de 25. El flujo se obtiene similarmente a varios incrementos de apertura de válvula y por lo tanto se halla así el Cv para cada incremento. Se logra así la "curva característica"  característica"  de la válvula. 2.2.  RANGEABILIDAD Se define como la relación del flujo máximo y el mínimo que puede manejar una válvula. La rangeabilidad de las válvulas varía, dependiendo del tipo de cuerpo de válvula usado. Por ejemplo, la rangeabilidad de las válvulas de globo varía entre 30:1 a 50:1, por lo general. A lo anterior se le denomina rangeabilidad inherente. Tan importante como esta última, es la ran rangeabilidad geabilidad instalada u operativa. Esta se define como la relación entre rangeabilidad y caída de presión:  Ro

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( q 1 / q 2 )

 

( " P 2/

" P 1)

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En donde q1 es el flujo inicial, q2 el final, "P1 es la caída de presión a través de la válvula y  "P2 la final. Por ejemplo, el requerimiento de flujo puede caer de 100 a 25% mientras la presión crece de 16 a 100%. Entonces la rangeabilidad instalada será:  R

#

(100 / 25 )   100 / 6

#

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La importancia de analizar cercanamente los requerimientos del lazo no debe ser minimizada. 2.3.  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 : Vista de corte de una válvula de control

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2.3.1.   VÁLVULA Consta a su ve vezz de las siguientes partes: Cuerpo de válvula !  Elementos internos, como el asiento del obturador, el obturador, el vástago del obturador, la guía del mismo, etc., que están en contacto con el medio a controlar.

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Estopero, del cualde se desplaza el vástago obturador y que contiene alostravés accesorios sellado para evitardelfugas de fluido. Generalmente contiene los medios de montaje del actuador.

Existen diversos tipos de válvulas, las cuales varían en el diseño del cuerpo y el movimiento del del obturador o tapón. Por otro lado, se hhabla abla también de acción de válvula, válvula, es decir, si el empujar el vvástago ástago de la válvu válvula la origina un movimiento de empujar para cerrar (push–to-close) o (push–to-close) o de empujar para abrir (push–to–open).

Fi Figu gura ra 2 : Vál Válvul vulaa “pus “push-t h-too-cl clos ose” e”

Fi Figu gura ra 3 : V Vál álvu vula la ““pu push sh-t -too-op open en”  ” 

Con respecto a los obturadores, la forma de los mismos varía mucho dependiendo de la aplicación. Este, determina la característica del caudal de la válvula, es decir, la relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso de fluido. Según su forma física se puede hallar de obturadores de globo, mariposa, aguja, bola, compuerta, etc. con respecto a la forma de control de flujo, los obturadores o tapones caen dentro de tres tipos básicos: apertura rápida, lineal y de igual porcentaje o isoporcentual. Discutamos estos tipos y algunas de sus modificaciones: ! 

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 Apertura rápida:  rápida:  permite un cambio rápido del caudal para un pequeño recorrido del vástago. 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 onoff o en válvulas autoreguladas. Incluso son útiles en sistemas con caídas constantes de presión, en donde se requiere una característica lineal.

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Lineal :  :  produce un flujo directamente proporcional a la apertura de válvula. Una variación del 50% del vástago origina una igual variación en el flujo, etc. Esta relación produce una pendiente constante, de modo tal que cada 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 un control de nivel de líquidos y en aplicaciones en donde se requieren una ganancia constante. !  Igual Porcentaje: Una característica de igual porcentaje es aquella en la que a iguales incrementos de recorrido del vástago, se produce un

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porcentaje en elenflujo Por un ejemplo, el flujo es es pequeño, eligual cambio el existente. mismo (para cambiocuando incremental) pequeño; cuando el flujo es grande, el cambio es siempre proporcional a la cantidad que fluye antes del cambio. Estos tapones son usados en aplicaciones de control de presión en donde un pequeño porcentaje de la caída del sistema permite el control de la válvula. !  Parabólica modificada: Una curva de este tipo cae entre la lineal y la de igual porcentaje. Se usa en aplicaciones en 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 vástago producen pequeños cambios de flujo.

2.3.2.   ACTUADOR 

Figura 4 : Características de válvulas

Las válvulas de control pueden ser operadas neumáticamente, eléctricamente, hidráulicamente o por una combinación entre estas. La primera es la mayormente usada. Las fuerzas que los actuadores deben superar son causadas por la caída de presión a través de la válvula, la fricción entre el fluido y las partes móviles, el peso de estas partes y el desbalance del vástago que se hace significativo para grandes caídas de presión. Mencionaremos las las características básicas básicas de los actuadores actuadores usados para modulación del servicio y por lo tanto se excluyen las válvulas solenoides y otros operadores mecánicos y eléctricos usados en servicio on – off. Pag. 4

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Neumáticos: pueden clasificarse en dos tipos básicos; el de resorte y Neumáticos: pueden diafragma y el de cilindro o pistón (sin resorte). El primero de ellos es el más usado y puede ser de “aire para bajar” (air-to-lower) o de “aire para subir” (air-to-raise). Aquí, interesa por qué lado ingresa la señal neumática proveniente del controlador. Si es por la parte superior del diagrama, obliga a que la deformación de éste, origine un desplazamiento del vástago hacia abajo, en cambio si el aire ingresa por debajo del diagrama, el movimiento será hacia arriba. Existen también

actuadores diagrama que son reversibles. De la combinación actuador y ladeválvula dependerá la acción de la válvula de control. del Si la señal neumática origina al final el cierre de la válvula (air-to-close) se hablará de acción directa y directa y si por el contrario, la válvula se abre (airto-open), se tendrá una acción inversa. inversa. La variación de la acción de la válvula, tan fácilmente se puede lograr con un actuador reversible, también se puede dar con un actuador no reversible, no necesariamente cambiando la válvula, sino con la ayuda de un posicionador de válvula como válvula  como se verá más adelante. Los actuadores sin resorte, del tipo de cilindro o pistón, se emplean cuando se requieren una gran potencia o una acción más rápida. Lo primero resulta de la habilidad para manejar presiones de alimentación más altas. !  Eléctricos: Eléctricos: Se  Se usan generalmente en áreas en donde no hay suministro de aire de alimentación o cuando se quiere prescindir de los sistemas neumáticos. Se uutilizando basan en eluna control de electrónica la velocidadcomo y el sentido giro de un motor dc, tilizando ta tarjeta rjeta interfazdeentre el controlador y el actuador de la válvula; por lo general se envía una señal realimentadora al controlador, que proviene de la salida de un potenciómetro ubicado en el mismo posicionador con el fin de que la apertura de la válvula corresponda al final a la señal de control. !  Electrohidráulicos: Electrohidráulicos: combinan  combinan la acción de la señal eléctrica de control con la fuerza que se puede lograr con presiones hidráulicas, acoplando a estas con un sistema de balance de fuerzas. Comúnmente, estos sistemas operan a presiones de hasta 3,000 psi, brindando potencia y velocidad para requerimientos de control de gran exactitud. 2.4.  POSICIONADOR DE VÁLVULA Un posicionador de válvula es básicamente un dispositivo que sensa tanto la señal de un instrumento (controlador) como la posición del vástago de una válvula. Su función principal es la de asegurar que la posición de este vástago corresponda a la señal de salida del controlador o regulador. Por ejemplo, si el posicionador recibe una señal neumática de 35%, debe dar la suficiente presión de aire al actuador para hacer que el recorrido del vástago sea de 35% de todo su rango. Puede efectivamente ser descrito como un controlador de lazo cerrado, que tiene como señal de entrada a la del instrumento, su salida que va al diafragma del actuador actuador y su señal de realimen realimentación tación proveniente del vástago de la válvula. Es usado en válvulas que operan en rango partido, (como se verá en el siguiente capítulo), para invertir acción ydeenuna válvula de control, para superar las fuerzas fricción dentro de unalaválvula aplicaciones que requieren un control rápidodey preciso. Normalmente, se monta sobre la válvula de control. Pag. 5

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Los posicionadores se pueden dividir neumáticos y electroneumáticos. Con respecto a los primeros, a su vez se subdividen en aquellos accionados por un sistema de balance de movimientos. Consiste básicamente de un fuelle que recibe la señal del controlador, una barra fija al fuelle por un lado y un relé neumático cuya tobera forma un sistema tobera-actuador con la barra. Mientras el fuelle se mueve respondiendo al cambio de la señal del instrumento, el arreglo tobera-obturador se mueve, admitiendo aire al diafragma o expulsando aire del mismo, hasta la posición del vástago estará corresponda a la señal enviada con por el controlador. En eseque momento el posicionador nuevamente en equilibrio la señal de control. Los posicionadores electroneumáticos surgieron por el uso cada vez mayor de sistemas de control electrónicos que actuan sobre válvulas de control neumáticas. Básicamente, consisten en una combinación de un conversor de corriente a presión (I/P) y un posicionador. Es un dispositivo de balance de fuerzas y se puede utilizar con acción directa o acción inversa. Es importante también señalar el empleo en algunos casos de posicionadores con comunicación digital como se ha mencionado anteriormente.

Figura 5 : Válvulas con Posicionadores (Cortesía PMV) 2.4.1.  ¿POR QUÉ USAR UN POSICIONADOR? Las razones para no usar solamente una válvula de control neumática sin posicionador son las siguientes: Mientras que la señal de 3-15 PSIG del controlador representa la posición requerida de la válvula, la válvula puede no alcanzar esa posición cuando es alimentada sólo por esa señal. Muchos factores son responsables de eso, como la fricción del vástago de la válvula, la presión del fluido del proceso, las fuerzas desbalanceadas del contacto de válvula y el tiempo requerido par cumplir grandes sobre-esfuerzos. !  El posicionador corrige estas condiciones utilizando todo el esfuerzo de su fuente de aire (hasta 100 PSIG) para manejar la válvula a la posición cuando es alimentada sólo por esa señal. Muchos factores son responsables de eso, como la fricción del vástago de la válvula, la presión del fluido del proceso, las fuerzas desbalanceadas del contacto

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de válvula y el tiempo requerido para cumplir grandes sobre-esfuerzos. Pag. 6

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Debido a que el posicionador tiene grandes puertas de alimentación y escape y una fuente independiente de aire, puede mover la válvula más rápido que lo que podría hacer el controlador. !  Existe un efecto llamado “histéresis” producido por la fricción de la guía del tapón deslizándose en el cuerpo de la válvula, la fricción del diafragma del actuador y el movimiento de las partes relacionadas.  Además, desde que la fricción estática es mayor que la fricción de

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deslizamiento, el vástago de laelválvula tiende apara sobre-dispararse de la posición deseada. Se emplea posicionador eliminar o reducir apreciablemente este error. 2.5.   ACCIÓN DE LA VÁLVULA Los posicionadores de válvula son clasificados ya sea: de acción directa, en que la salida del posicionador se increme incrementa nta con un incremento de la señal de salida del controlador, o de acción inversa, en que la salida del posicionador decrece con un incremento en la señal de salida del controlador. Las válvulas pueden ser ya sea upto-close o down-to-close. En suma el posicionador puede accionar ya sea en la parte inferior o en la parte superior del diafragma. Con estas tantas posibles variaciones, evidentemente más de una combinación válvula-actuador-posicionador para una hay situación dada.

FIN DE LA UNIDAD

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