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La última edición de este post fue realizada por Wang Tianze el 18-12-2016 a las 19:56. Selección adecuada de válvulas de control y consideraciones importantes: Por favor, continúen discutiendo este tema. Las válvulas de control tipo handshake son componentes de ejecución finales en los sistemas de control de procesos industriales. En los sistemas de control automático para la producción continua en la industria, se utilizan válvulas de control para regular diversos parámetros del proceso de producción, con el fin de controlar la presión, temperatura, caudal y nivel del fluido. Por lo general, se les denomina “manos y pies” en la automatización de los procesos industriales. La calidad de su aplicación se refleja directamente en la calidad de regulación del sistema. Como elemento de ejecución final en el control de procesos, se ha comprendido su importancia de manera más profunda que en el pasado. El buen funcionamiento de las válvulas reguladoras depende, además de la calidad del producto y de que los usuarios las instalen, utilicen y mantengan correctamente, de un cálculo y selección adecuados. Debido a errores en la selección de los cálculos, el funcionamiento del sistema se vuelve inestable; hay muchos casos en los que incluso no es posible utilizarlo. Por lo tanto, los usuarios y los diseñadores de sistemas deben ser plenamente conscientes de la importancia de las válvulas de regulación en las instalaciones reales, y deben prestar suficiente atención a la selección de dichas válvulas. Los principios generales para la selección de válvulas de regulación son los siguientes: siempre que se cumplan las funciones requeridas, la válvula elegida debe tener una estructura simple, un rendimiento fiable, un precio bajo, una larga vida útil y ser fácil de mantener. A continuación, se describe en detalle la selección del tipo de válvula reguladora y la elección de los accesorios. 1. Elección del tipo de válvula reguladora. Existen muchos métodos para clasificar las válvulas reguladoras. Actualmente, tanto a nivel nacional como internacional, se utiliza comúnmente un método de clasificación basado en su estructura, principio de funcionamiento y aplicación. En total, existen 9 categorías: válvulas reguladoras de asiento simple de paso directo, válvulas reguladoras de asiento doble de paso directo, válvulas reguladoras de tipo manga, válvulas reguladoras angulares, válvulas reguladoras de tres vías, válvulas de diafragma, válvulas de mariposa, válvulas esféricas y válvulas de rotación excéntrica. Estos nueve tipos son los productos más básicos y comunes; se les denomina también productos estándar. Los demás productos son aquellos que han sido desarrollados a partir de estos, teniendo en cuenta las necesidades prácticas de uso; se les denomina productos especiales. 1.1 Características de las válvulas de regulación de tipo estándar y su selección adecuada 1.1.1 Válvula de regulación de un solo asiento de paso directo. La válvula de regulación de un solo asiento de paso directo cuenta con un único elemento de cierre y un único asiento de válvula, lo que permite lograr un sellado eficaz. Se puede utilizar un sellado rígido entre metales, o un sellado blando entre metales y polietileno tetraflúoroetílico u otros materiales compuestos. El valor estándar de fugas es de 0,01%C (donde C es el coeficiente de caudal nominal). Permite una pequeña diferencia de presión y una capacidad de flujo limitada. Por ejemplo, en la válvula de regulación de un solo asiento de DN100, la diferencia de presión permitida es de solo 120 kPa, y su capacidad de flujo es de 100. Tiene un diseño de circuito complejo, pero estructura sencilla; es adecuado para aplicaciones en las que se requiere un alto nivel de estanqueidad y donde la diferencia de presión es baja, en medios limpios. Sin embargo, las válvulas de regulación de pequeño tamaño (DN1/2, 3/4, 20) también pueden utilizarse en situaciones con grandes diferencias de presión. Se trata de una de las válvulas de regulación más utilizadas. Además, tras un diseño adicional, puede funcionar como válvula de cierre. La forma de la válvula determina las características de caudal; al ser sometida a erosión, pierde sus propiedades originales. Reemplazar la válvula permite cambiar esas características de caudal. Sin embargo, el medio fluido ejerce una gran fuerza sobre el elemento de la válvula; es decir, la fuerza de desequilibrio es alta. Por eso, se necesita un actuador con una gran capacidad de empuje. En consecuencia, en aplicaciones con grandes diferencias de presión y diámetros grandes, no es adecuado utilizar este tipo de válvulas de regulación. Al elegir esta válvula, se debe prestar especial atención a la verificación de la diferencia de presión para evitar que sea empujada hacia afuera. 1.1.2 Válvula de regulación de dos asientos de tipo directo. La válvula de regulación de dos asientos de tipo directo cuenta con dos elementos de control y dos asientos. Dado que la fuerza que actúa sobre el elemento de control superior es aproximadamente igual a la fuerza que actúa sobre el elemento de control inferior, la fuerza desequilibrada que actúa sobre todo el elemento de control es pequeña. Esto permite que exista una gran diferencia de presión; por ejemplo, una válvula de regulación de dos asientos de DN100 puede soportar una diferencia de presión de 280 kPa. Además, su capacidad de flujo es alta. En comparación con otras válvulas de regulación del mismo diámetro, las válvulas de dos asientos permiten el paso de más fluido. La capacidad de flujo de las válvulas de dos asientos es aproximadamente un 20% a 50% mayor que la de las válvulas de un solo asiento del mismo diámetro. Por ejemplo, la capacidad de flujo de la válvula de control de dos asientos DN100 es de 160. Por lo tanto, para obtener la misma capacidad de flujo, en las válvulas de control de dos asientos se puede utilizar un actuador con una fuerza de accionamiento menor. La válvula de regulación de dos asientos cuenta con guías tanto en la parte superior como en la inferior. Por lo tanto, es sencillo modificarla de modo que pase de ser una válvula de tipo normal a una de tipo inverso, o viceversa. Para ello, basta con invertir la posición del elemento de control y del asiento de la válvula. No es necesario cambiar el tipo de accionamiento de la válvula, ya sea de tipo directo o inverso. En las válvulas de regulación de dos asientos, los discos superiores e inferiores no pueden cerrarse al mismo tiempo, lo que provoca una mayor cantidad de fugas. La cantidad de fugas estándar es de 0,1%C (donde C es el coeficiente de caudal nominal) ； Su estructura de flujo es compleja, por lo que no es adecuada para aplicaciones con grandes diferencias de presión. En tales situaciones, la válvula sufre un impacto considerable debido al flujo de fluido a alta presión; además, es fácil que se produzca evaporación y cavitación, lo que agrava el desgaste de la válvula. Tampoco es adecuada para el control de fluidos que contienen fibras o que tienen alta viscosidad. 1.1.3 Válvulas de regulación de manguito. Las válvulas de regulación de manguito también se conocen como válvulas en jaula. Sus componentes internos incluyen un elemento de control y un manguito. Este manguito puede ser de tipo válvula de regulación de asiento simple, o bien de tipo válvula de regulación de doble asiento o válvula de regulación angular. Existen dos tipos de estructuras: con un sello único y con dos sellos. La primera opción corresponde a una válvula de regulación de asiento simple, adecuada para aplicaciones donde se requiere ese tipo de válvula ； Este último equivale a una válvula de control de dos asientos, y es adecuado para aplicaciones que requieren válvulas de control de dos asientos. Además, cuenta con buenas propiedades de estabilidad, es fácil de instalar y desinstalar, así como de mantener. También reduce el ruido y los efectos de la cavitación. Sin embargo, su precio es un 50% a 200% más alto que el de las válvulas de control de una o dos posiciones. Además, se necesita un sello especial para su funcionamiento adecuado. Su uso es bastante extendido, solo por detrás de las válvulas de control de una o dos posiciones. Pero no debe utilizarse en medios sucios o en aquellos que tienden a cristalizarse o a formar incrustaciones. 1.1.4 Válvulas de regulación en forma de ángulo: Las válvulas de regulación en forma de ángulo son válvulas de un solo asiento que cuentan con una estructura especial del cuerpo de la válvula. Son adecuadas para aplicaciones específicas en tuberías y fluidos. Se trata de válvulas cuyo cuerpo pasa de ser recto a tener forma de ángulo (equivalente a una curva en las tuberías). Su funcionamiento de regulación y la forma en que reciben las fuerzas son idénticos a los de las válvulas de un solo asiento. Se han mantenido las características de la válvula de control de una sola vía: baja fuga y pequeña diferencia de presión permitida. Además, debido a su diseño sencillo y a sus propiedades de “autolimpieza”, puede utilizarse con medios sucios. También se puede mejorar aún más para convertirlo en una válvula de cierre contra obstrucciones, adecuada para entornos donde hay partículas en suspensión. Es especialmente útil en situaciones en las que el espacio de instalación es limitado. 1.1.5 Válvula de regulación de tres vías. La válvula de regulación de tres vías utiliza la propia guía del elemento de control para funcionar. Cuando se necesita cambiar entre el modo de apertura por presión de aire y el modo de cierre por presión de aire, es necesario reemplazar también el actuador. Cabe señalar que el significado de “apertura por presión de aire” y “cierre por presión de aire” en esta válvula es diferente al de otras válvulas de regulación. Es preciso especificar claramente a qué dirección se refiere dicha apertura o cierre: ¿en posición horizontal o vertical? Cuenta con tres canales y puede sustituir a dos válvulas de control de asiento simple para la distribución y combinación de dos flujos, en aplicaciones donde la diferencia de temperatura es ≤150°C. Cuando DN ≤ 80 mm, la válvula de combinación puede utilizarse también para la distribución de fluidos. 1.1.6 Válvula de control de diafragma. La válvula de control de diafragma está compuesta por un diafragma resistente a la corrosión y un cuerpo de la válvula revestido con material también resistente a la corrosión. Su estructura es sencilla, lo que la hace adecuada para aplicaciones en las que se manejan medios sucios o ligeramente corrosivos, y para operaciones de cierre total. Fue uno de los primeros válvulas de regulación. Debido a sus características de caudal que permitían una apertura rápida, su calidad de regulación era deficiente. Además, estaba influenciada por el material del diafragma y del revestimiento, por lo que no podía utilizarse en condiciones de alta temperatura o presión. La presión de funcionamiento típica era de ≤1,6 MPa, y la temperatura de funcionamiento, de ≤150 °C. Por otra parte, el diafragma se dañaba fácilmente y tenía una vida útil corta. Por estos motivos, hoy en día ya no se utiliza con frecuencia. 1.1.7 Válvulas de mariposa: Las válvulas de mariposa funcionan como un tramo de tubería que sirve como cuerpo de la válvula; en su parte central se encuentra una placa que permite el control del flujo de fluido. Se trata de las válvulas de regulación rotativa más comunes que se utilizan para este propósito. Es adecuado para presiones bajas y medias, o en muy pocas ocasiones para aplicaciones con alta presión estática y gran caudal, pero existe un límite en la diferencia de presión. Tiene un volumen y un peso reducidos; es 4 a 10 veces más ligero que las válvulas de regulación de tipo esférico con el mismo diámetro. La relación entre el diámetro y el precio es baja, lo que lo hace especialmente adecuado para aplicaciones con grandes diámetros. Además, cuanto mayor sea el diámetro de la válvula de regulación, más notable será esta característica. Por lo general, cuando DN>300 mm, se suele utilizar una válvula de mariposa para ello. 1.1.8 Válvulas de bola. Las válvulas de bola son un producto ya consolidado y antiguo. Existen válvulas de bola de tipo “O” y de tipo “V”. Tienen la estructura más simple, presentan la menor resistencia al flujo y las menores pérdidas de presión. Además, tienen una excelente capacidad de autolimpieza. “La válvula de bola en forma de O es una válvula de regulación sin resistencia. En comparación con otras válvulas del mismo tipo, tiene el mayor coeficiente de caudal nominal. Se utiliza frecuentemente en aplicaciones donde se requiere un alto caudal y donde el fluido es sucio ； “La válvula de bola en forma de “V” ofrece características de caudal aproximadamente logarítmicas, además de un amplio rango de regulación. Cuando el núcleo en forma de “V” gira con respecto al asiento de la válvula, se genera una fuerza de cizallamiento; esto la hace especialmente adecuada para la regulación y corte de medios con alta viscosidad, flujos suspendidos o medios sucios que contienen fibras, como la pulpa de madera. El precio de las válvulas esféricas es bastante elevado. 1.1.9 Válvula de rotación excéntrica, también conocida como válvula de flexión por leva. Combina las ventajas de las válvulas esféricas y de mariposa: su estructura es sencilla, tiene buenas propiedades de autolimpieza y de regulación. Es adecuada para medios que contienen cristales, impurezas o sustancias sucias ； El cuerpo de la válvula es de pequeño tamaño y bajo peso, y se puede montar de manera flexible en cualquier ubicación, sin necesidad de reemplazar ninguna pieza ； El coeficiente de caudal nominal es alto; es un 10% a 30% mayor que el de las válvulas de control de una o dos posiciones del mismo diámetro. Además, su rango de ajuste es amplio, pudiendo llegar hasta 100:1 ； El sellado del asiento de la válvula es fiable; gracias a la flexibilidad del brazo de soporte del obturador y al movimiento de rotación excéntrica de su superficie esférica, se reduce el par de accionamiento requerido. Esto compensa ciertas asimetrías, permitiendo un funcionamiento estable tanto en condiciones de flujo abierto, flujo cerrado como con grandes diferencias de presión ； Durante la regulación proporcional, es necesario utilizar un posicionador; al cambiar la posición de la placa saliente en dicho posicionador, se puede obtener fácilmente un caudal lineal o con un porcentaje constante. 1.2 Selección de válvulas de regulación especiales Para aplicaciones especiales, sobre la base de las válvulas de regulación mencionadas anteriormente, si se alarga la tapa superior de la válvula o se añaden aletas de enfriamiento, estas pueden utilizarse en condiciones de bajas y altas temperaturas ； El uso de múltiples muelles en el mecanismo de accionamiento permite reducir el volumen y el peso del válvula de regulación en su conjunto ； Para reducir el ruido, se pueden diseñar válvulas de regulación de bajo ruido mediante una serie de medidas de atenuación del ruido. Además, existen válvulas de regulación con estructura de cuerpo de válvula separado, lo que facilita su mantenimiento y limpieza ； Válvula de regulación de corte rápido utilizada para las demandas rápidas de acciones en cadena ； Válvula de regulación de caudal bajo diseñada para requisitos de control de caudal reducido ； Válvulas de regulación con sellos de manguito ondulado, entre otros, para prevenir fugas. Estos tipos especiales de válvulas de regulación son válvulas especializadas diseñadas para satisfacer las necesidades de procesos de producción específicos o para ciertas aplicaciones concretas; se trata de válvulas no estándar. Se caracterizan por condiciones de trabajo complejas, requisitos elevados de uso y volúmenes de producción reducidos. Estas válvulas de regulación suelen ser productos de tipo estándar que han sido desarrollados y mejorados para satisfacer dichos requisitos de uso. Por lo tanto, primero se debe determinar su forma básica según lo que no sea específico, y luego, en función de las características específicas, se determinan las formas modificadas correspondientes y los materiales, etc. 2 Selección de accesorios. Los principales accesorios de las válvulas de regulación son: posicionadores de válvula, interruptores de posición de la válvula, válvulas de retención neumáticas, reactivos neumáticos, válvulas electromagnéticas, filtros y reducidos de presión de aire, mecanismos de manivela, transmisores de posición de la válvula y conversores, entre otros. Entre ellos, los posicionadores de válvulas incluyen los posicionadores eléctricos y los neumáticos. Se utilizan principalmente para mejorar las características de funcionamiento de las válvulas de control, lograr una posición precisa, aumentar la linealidad en la posición de la válvula, reducir el retraso en la transmisión de las señales de control, modificar las características de caudal de la válvula y cambiar el rango de respuesta de la válvula a las presiones de la señal, con el fin de lograr un control por etapas y una posición precisa. Es uno de los accesorios más importantes de la válvula de control; su calidad influye directamente en el rendimiento y la calidad de la válvula de control y del sistema de regulación. A continuación, se detallan algunos de los factores principales que deben tenerse en cuenta al elegir un posicionador de válvulas: 1) Si el posicionador de válvulas puede realizar la función de “rango de respuesta”, es decir, si responde únicamente a un rango específico de la señal de entrada. Si el localizador de válvulas puede cumplir con esta función, entonces será posible utilizar una señal de entrada para controlar dos o más válvulas de regulación, según sea necesario ； 2) ¿Es fácil ajustar el punto cero y el rango de medición? ¿Es independiente la calibración? ¿Cuál es su estabilidad? ； 3) ¿Cuál es la precisión del posicionador de válvulas? En condiciones de funcionamiento ideales, para cada señal de entrada, los componentes internos de la válvula de regulación (incluyendo el elemento de control de la válvula, el vástago, el asiento de la válvula, etc.) deben posicionarse siempre con precisión en la posición deseada, independientemente de la dirección del movimiento o de la carga que soporten dichos componentes ； 4) ¿Cuál es la velocidad de respuesta del posicionador de válvulas y cuáles son sus características de frecuencia? Porque el posicionador de válvula puede comparar continuamente la señal de entrada con la posición de la válvula, y ajustar su propia salida según la desviación entre ambas. Si el localizador de válvulas responde rápidamente a este tipo de desviaciones, entonces la cantidad de fluido que fluye por unidad de tiempo será mayor. De esta manera, el sistema de control responderá más rápido a los cambios en el punto de ajuste y en la carga; es decir, el error del sistema será menor y la calidad del control será mejor. En general, cuanto mayor es la característica de frecuencia, es decir, cuanto mayor sea la sensibilidad a la respuesta en función de la frecuencia, mejor será el rendimiento del control. Cabe señalar que la evaluación de las características de frecuencia debe realizarse mediante un enfoque que combine métodos experimentales y teóricos, y no únicamente basándose en la teoría. Además, al realizar la evaluación, los métodos experimentales deben ser estables y científicos; asimismo, es necesario considerar conjuntamente al posicionador de la válvula y al actuador ； 5) ¿Cómo cambia la resolución de posicionamiento cuando se combina un posicionador de válvulas con una válvula reguladora? La resolución de posicionamiento tiene un efecto muy importante en la calidad de control del sistema de regulación. Cuanto mayor sea la resolución, más cercano estará el posicionamiento de la válvula de regulación al valor ideal. De esta manera, las fluctuaciones causadas por un ajuste excesivo de la válvula pueden ser controladas eficazmente, lo que permite limitar los cambios periódicos en la cantidad a regular. 6) ¿La presión de suministro de aire máxima permitida para el posicionador de válvulas es compatible con la presión de operación nominal del actuador? ¿Es sencillo su instalación y conexión? ¿Cuál es el nivel de mantenimiento necesario y qué tan complejo es dicho mantenimiento, entre otros aspectos. Y, aparte de los posicionadores de válvulas, los demás tipos de accesorios son relativamente simples, por lo que no es necesario repetirlo aquí. Todos los accesorios tienen como función complementaria garantizar el correcto funcionamiento de la válvula de control. Al elegirlos, el principio a seguir es añadir solo lo necesario y descartar lo innecesario; de lo contrario, solo se aumentarán los costos de operación del sistema de control y disminuirá su fiabilidad. 3 Conclusiones La selección adecuada de la válvula de regulación es el primer y más importante paso para utilizarla correctamente. La calidad de esta selección afecta directamente el rendimiento de la válvula de regulación, y por ende, la calidad de regulación del sistema. Por supuesto, la selección del modelo es un proceso bastante complejo; además, se trata de una verdadera disciplina que requiere exploración y reflexión continua en la práctica. Por lo tanto, es necesario que, al elegir las válvulas de regulación, se cuenten con conocimientos especializados en la materia y se dominen ciertos métodos y técnicas. Solo así se podrá aprovechar realmente su función de “manos y pies” en el control automático de los procesos industriales.