Elementos Finales de Control
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL • Válvula de control Uno de los más comunes elementos finales de control en sistemas de control industrial es la válvula de control. Una válvula de control trabaja para restringir el flujo de un fluido en una tubería, esto puede ser, por ejemplo, a través de una señal de control proveniente de un dispositivo controlador como un PLC, o incluso en forma manual mediante un operario. - Control de fluido (on/OFF) discreto. - Regular el flujo entre totalmente abierto y totalmente cerrado
VALVULAS DE CONTROL • Una válvula de control está compuesta de dos partes principales • Cuerpo de la válvula • Actuador
Algunos Tipos: • Válvulas de Vástago deslizante (Movimiento Lineal) • Válvulas de globo • Válvulas de compuerta • Válvulas de diafragma
• Válvulas de vástago rotatorio (Movimiento circular) • Válvulas de bola • Válvulas de mariposa • Válvulas de disco
VALVULAS DE CONTROL
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Vástago Deslizante (obturador de movimiento lineal) La mayoría de las válvulas de control de vástago deslizante son de acción directa, lo que significa que la válvula se abre a medida que el vástago es extraído del cuerpo. Un cuerpo de válvula de acción inversa se comportaría exactamente de forma contraria, se abrirá cuando el vástago se empuje y se cierra a medida que se extrae el vástago. Las válvulas de movimiento lineal, en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje, se clasifican en válvula de globo, válvula en ángulo, válvula de tres vías mezcladora o diversora, válvula de jaula, válvula de compuerta, válvula en Y, válvula de cuerpo partido, válvula Saunders y válvula de compresión.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Vástago Deslizante
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Vástago Deslizante
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Llamada así por disponer de un obturador en forma de globo, se caracteriza porque el flujo de entrada o salida es perpendicular al eje del obturador. Las válvulas de globo limitan el flujo de fluido alterando la distancia entre un tapón móvil y un asiento fijo (en algunos casos, un par de tapones y asientos coincidentes). El flujo fluye a través de una cavidad en el centro del asiento, y está más o menos restringido por la proximidad del tapón a ese agujero. La fotografía muestra una válvula de globo pequeña (2 pulgadas)
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Un conjunto de tres fotografías que muestran un corte (Masoneilan modelo 21000).
Como se puede ver en estas fotografías, el obturador de la válvula es guiado por el vástago para mantener la alineación con la línea central del asiento. Por esta razón, este estilo particular de válvula de globo se llama válvula de globo guiada por vástago.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Una variación en el diseño de la válvula globo guiado por el vástago es la válvula de aguja, donde el obturador es extremadamente pequeño de diámetro y por lo general se ajusta bien en el agujero del asiento en lugar de simplemente sentarse encima de él. Las válvulas de aguja son muy comunes como válvulas accionadas manualmente para controlar caudales bajos de aire o aceite.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Otra variación en el diseño de la válvula de globo es la válvula guiada por puerto, donde el obturador tiene una forma inusual, proyectándose en el asiento.
Pequeño tapón de una válvula de globo guiada por puerto
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Algunas válvulas de globo utilizan un par de obturadores (en el mismo vástago) y un par de asientos coincidentes para acelerar el flujo de fluido. Se les llama válvulas de globo de doble asiento. El propósito de una válvula de globo de doble asiento es minimizar la fuerza aplicada al vástago por la presión del fluido de proceso a través de los tapones:
Pequeño tapón de una válvula de globo guiada por puerto
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo La fotografía muestra una válvula de globo de doble asiento Fisher "A-body" desmontada, con el doble obturador claramente visible a la derecha. Mientras que las válvulas de globo de doble asiento ciertamente disfrutan de la ventaja de una actuación más fácil en comparación con sus primos de un solo asiento, también sufren una desventaja distinta: el casi imposible cierre hermético.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Una versión más moderna del diseño de válvulas de globo usa un obturador en forma de pistón dentro de una caja cerrada (jaula) con puertos fundidos o mecanizados en él. Observe los puertos en forma de "T" en la jaula, a través de los cuales fluye flujo mientras el obturador se mueve hacia arriba
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Válvula de tres vías, a veces llamado una válvula de mezcla o de desviación. Este diseño de la válvula tiene tres accesos en él, con el obturador que controla el grado en el cual dos de los accesos conectan con el tercer acceso:
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de globo Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor, facilitando un control muy rápido de la temperatura, gracias a que el fluido de calefacción (vapor o fluido térmico) puede derivar, a través de la válvula, sin pasar por el intercambiador. Fotografía de una válvula de globo de tres vías que mezcla agua caliente y fría para controlar la temperatura
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de compuerta Las válvulas de compuerta trabajan insertando una "compuerta" en la trayectoria del flujo para restringirla, de manera similar a la acción de una puerta corrediza. Las válvulas de compuerta se utilizan con mayor frecuencia para el control de todo / nada que para el estrangulamiento.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de diafragma Las válvulas de diafragma utilizan una lámina flexible presionada cerca del borde de una presa sólida para reducir el recorrido del flujo de fluido. Son adecuadas para flujos que contienen materia sólida en partículas tales como suspensiones, aunque puede ser difícil conseguir un estrangulamiento preciso debido a la elasticidad del diafragma. La fotografía muestra una válvula de diafragma accionada por un motor eléctrico, utilizado para controlar el flujo de aguas residuales tratadas
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de diafragma La fotografía muestra una válvula de diafragma accionada manualmente, la forma externa del cuerpo de la válvula revela la estructura de la "presa" contra la cual se presiona el diafragma flexible para crear un cierre hermético cuando se cierra.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Vástago Rotatorio (obturador de movimiento rotativo) Las válvulas en las que el obturador tiene un movimiento rotativo se clasifican en: válvula de disco excéntrico rotativo, válvula de obturador cilíndrico excéntrico, válvula de mariposa, válvula de bola, válvula de macho, válvula de orificio ajustable y válvula de flujo axial.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Vástago Rotatorio Una ventaja importante de las válvulas de control giratorias sobre los diseños de vástago deslizante tales como la válvula de globo y la válvula de diafragma es que presentan un camino prácticamente sin obstrucción para el fluido cuando la válvula está abierta. *Las válvulas de compuerta también ofrecen menos obstrucción al flujo cuando están abiertas, pero presentan características de estrangulamiento pobres.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Bola En el diseño de la válvula de bola, una bola esférica con un corte de paso a través del centro gira para graduar el flujo. Cuando el paso es paralelo a la dirección del movimiento del fluido, la válvula está completamente abierta; Cuando el paso está alineado perpendicularmente a la dirección del movimiento del fluido, la válvula está completamente cerrada (cerrada).
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Bola En las fotografías se muestra una válvula de bola accionada manualmente en tres posiciones diferentes, desde casi totalmente cerrada hasta casi totalmente abierto (de izquierda a derecha):
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Bola Un mejor diseño de la válvula de bola para el servicio de estrangulamiento es la válvula de bola caracterizada o segmentada, mostrada en varias etapas de apertura en el siguiente conjunto de fotografías:
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Mariposa El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Disco Las válvulas de disco (conocidas como válvulas de disco excéntrico o como válvulas de mariposa de alto rendimiento) son una variación en el diseño de mariposa diseñado para mejorar el cierre del asiento. Un cierre hermético del flujo es posible incluso cuando se utilizan asientos y discos metálicos. La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas de mariposa y a las de bola.
VALVULAS DE CONTROL Válvulas de Disco
La fotografía muestra el cuerpo de una válvula de control Fisher Eplug, con el disco en una posición parcialmente abierta.
VALVULAS DE CONTROL Fuga del asiento de la válvula En algunas aplicaciones de proceso, es importante que la válvula de control pueda detener completamente el flujo de fluido cuando se coloca en la posición "cerrada”.
VALVULAS DE CONTROL Fuga del asiento de la válvula Bubble test: Para una válvula de 6 pulgadas, la máxima velocidad de burbuja es de 27 burbujas por minuto.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores de válvulas de control El propósito de un actuador de una válvula de control es proporcionar la fuerza motriz para accionar un mecanismo de válvula. Tanto las válvulas de control deslizante como las de control giratorio disfrutan de la misma selección de actuadores: • • • •
Neumático, Hidráulico, Eléctrico, y, Manual
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos Los actuadores neumáticos utilizan presión de aire que empuja contra un diafragma flexible o un pistón para mover un mecanismo de válvula. El servomotor neumático consiste en un diafragma con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 3 y 15 psi (0,2-1 bar), es decir, que las posiciones extremas de la válvula corresponden a 3 y 15 psi (0,2 y 1 bar). El actuador puede ser de acción directa o inversa.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos acción directa: cuando la presión de aire actúa en la cámara superior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia abajo, con lo que el vástago se extiende. acción inversa: cuando la presión de aire actúa en la cámara inferior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia arriba, con lo que el vástago se contrae.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos Acción directa: con el servomotor desexcitado la válvula está abierta. Acción inversa: con el servomotor desexcitado la válvula está cerrada.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos Convertidores. La presión de aire requerida para un actuador neumático puede venir directamente de la salida de un controlador de proceso neumático, o de un transductor de señal (o convertidor) que traduce una señal eléctrica en una señal de presión de aire. Estos convertidores comúnmente se conocen como I/P, convierten una señal de corriente DC típica de 4 a 20 mA (I) en una señal de presión de aire (P) de 3 a 15 PSI.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos La fotografía muestra una válvula de control de vástago deslizante con actuador de diafragma neumático y un "volante" en la parte superior Observe el tubo de presión de aire entre el actuador de la válvula y el tubo de suministro de aire, doblado en un bucle. Esto se llama un lazo de vibración, y existe para minimizar la tensión en la tubería de metal de la vibración que pueda ocurrir.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos Los actuadores neumáticos pueden tomar la forma de pistones.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos Esta válvula de oxígeno de ultra-alta presión muestra un gran pistón neumático actuando sobre un cuerpo relativamente pequeño.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Neumáticos Actuador neumático de doble pistón proveyendo la fuerza mecánica necesaria para el cierre y apertura de la válvula mariposa.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Hidráulicos Estos utilizan un líquido a presión para mover el mecanismo de la válvula. Casi todos los actuadores hidráulicos usan pistones antes que diafragmas para convertir la presión del líquido en fuera mecánica. Es posible generar fuerzas muy grandes para los accionamientos. Por ejemplo, una presión hidráulica de 2000 PSI aplicada a una cara de un pistón de 3 pulgadas de diámetro generará un empuje lineal que excede las 14000 libras (7 ton.). Adicionalmente presentan un posicionamiento muy estable (firme) en razón de que el aceite hidráulico no es compresible. Algunos actuadores hidráulicos contienen su propia bomba eléctrica controlada, por lo que la válvula es en realidad controlada por una señal eléctrica. Necesidad de aceite a presión puede ser una desventaja.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Hidráulicos Servomotor hidráulico
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Hidráulicos Servomotor hidráulico
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Hidráulicos Válvulas auto operadas. El principio de autooperación puede ser usado en aplicaciones de regulación o en aplicaciones de todo/nada, tanto para gases o líquidos.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Hidráulicos La fotografía muestra un regulador de presión de gas “Fisher” usado para regular la presión de combustible de gas natural.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Hidráulicos Un caso de válvula auto operada son las válvulas de alivio de presión (PRV) o válvulas de seguridad de presión (PSV). Estas válvulas normalmente están cerradas y se abren cuando la presión supera un valor. La figura muestra una válvula de alivio para calentadores de agua (https://es.wikipedia.org)
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Eléctricos Un actuador eléctrico se muestra en la fotografía, este dota de una acción rotatoria on/off a una válvula de bola. Este particular actuador incorpora una manivela para operación manual en caso de fallo del motor eléctrico.
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Eléctricos Existen dos tipos diferentes de servomotores eléctricos, los dedicados al control de clima (calefacción, ventilación y aire acondicionado) (HVAC = Heating, Ventilting, Air Conditioning) y los proyectados para el control industrial. Los primeros se caracterizan por su poco par y por el tiempo largo de accionamiento (1 minuto), mientras que los segundos disponen de un par elevado y un tiempo de accionamiento rápido (de 10 a 60 segundos).
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Eléctricos Existen dos tipos diferentes de servomotores eléctricos, los dedicados al control de clima (calefacción, ventilación y aire acondicionado) (HVAC = Heating, Ventilting, Air Conditioning) y los proyectados para el control industrial. Los primeros se caracterizan por su poco par y por el tiempo largo de accionamiento (1 minuto), mientras que los segundos disponen de un par elevado y un tiempo de accionamiento rápido (de 10 a 60 segundos).
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Eléctricos La fotografía muestra un actuador eléctrico acoplado a una válvula mariposa de gran tamaño. Aunque no se puede observar, los comandos de posicionamiento se reciben a través de una red digital Profibus.
VALVULAS DE CONTROL Válvula de Solenoide La válvula de solenoide o electroválvula es un dispositivo para controlar el flujo de un fluido a su paso por una tubería. Consiste en dos partes básicas, el solenoide y la válvula. - Normalmente abierta - Normalmente cerrada
La válvula de solenoide puede realizar un control proporcional de tiempo variable mediante una unidad de control electrónico que envía a la bobina impulsos de anchura modulada.
VALVULAS DE CONTROL Válvula de Solenoide Cv es el coeficiente de caudal de agua en galones USA por minuto a la temperatura de 60 °F (15,5 °C) que pasa a través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga de una libra por pulgada cuadrada (psi);
VALVULAS DE CONTROL Actuadores Manuales
VALVULAS DE CONTROL Modo de fallo de la válvula Abierto a fallo
Cerrado a fallo
VALVULAS DE CONTROL Modo de fallo de la válvula Selección del modo de fallo
VALVULAS DE CONTROL Respuesta de un actuador Neumático A que sistema simple se parece esta respuesta?
VALVULAS DE CONTROL Respuesta de un actuador Neumático La respuesta ha mejorado debido a la presencia de un transductor I/P
VALVULAS DE CONTROL Posicionadores de válvulas Un posicionador es un dispositivo de control de movimiento diseñado para comparar activamente la posición del vástago contra la señal de control, ajustando la presión al diafragma o pistón del actuador hasta que la correcta posición del vástago sea alcanzada.
VALVULAS DE CONTROL Posicionadores de válvulas La fotografía muestra un posicionador neumático de la marca Fisher modelo 3582 montado en una válvula de control. Cada posicionador para válvulas de control deberá estar equipado con algunas formas de sensar la posición del vástago de la válvula vrs. la señal de comando.
VALVULAS DE CONTROL Dimensionamiento de válvulas de control Disipación de energía en una corriente de flujo turbulenta:
VALVULAS DE CONTROL Características de la válvula 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 más significativas son: apertura rápida, lineal e isoporcentual.
VALVULAS DE CONTROL Problemas en Válvulas de control • Fricción Mecánica • Cavitación • Ruido • Erosión • Ataque químico
