Se describen en detalle las características del caudal, y se indican el método de selección de las válvulas de control y los aspectos a tener en cuenta

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La válvula de regulación es un actuador muy utilizado en los sistemas de control automático, y sirve para regular el flujo del fluido que se desea controlar. Elegir correctamente la válvula de regulación es la garantía para asegurar la calidad del control del sistema. Se describe en detalle la clasificación por composición y las características de caudal de las válvulas de regulación. También se indican los métodos para elegir dichas válvulas y los aspectos a tener en cuenta. Prólogo  0  Las válvulas de regulación son actuadores muy utilizados en los sistemas de control automático. Constituyen los componentes principales que permiten el control automático, ya que controlan directamente la cantidad de fluido que se transporta. La válvula de control está compuesta por un actuador y un mecanismo de regulación. Recibe señales de control provenientes de un regulador o de una computadora, y se utiliza para modificar el caudal del fluido que se desea controlar, de modo que los parámetros en cuestión se mantengan dentro del rango deseado. De esta manera, se logra la automatización del control del proceso. En el campo del control automático, la estabilidad del proceso de control depende directamente de si la válvula de regulación funciona correctamente, lo que permite que el control del proceso se traduzca en cambios precisos en la energía y el flujo de los materiales. Por lo tanto, es necesario elegir válvulas de regulación diferentes según las distintas necesidades. Elegir la válvula de regulación adecuada es un problema fundamental en el diseño de las tuberías, y también es clave para garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema de regulación. Selección de tipo  1  Las válvulas de regulación están compuestas generalmente por un actuador y la propia válvula. La válvula de regulación es el mecanismo de control de dicha válvula; según las instrucciones de la señal de control, modifica el grado de apertura de la válvula para así regular el caudal. Se trata de un elemento de restricción cuya resistencia local puede variar. La válvula de regulación está compuesta principalmente por tapas superior e inferior, cuerpo de la válvula, elemento de control, asiento de la válvula, relleno y placas de presión, entre otros componentes. En los sistemas de control automático, los medios principales para regular las válvulas son el agua y el vapor, entre otros. En situaciones en las que la presión es relativamente baja y el uso del dispositivo es sencillo, las válvulas de regulación más comunes son las válvulas de regulación de paso directo, las válvulas de regulación de tres vías y las válvulas de mariposa. Los actuadores se pueden clasificar en tres tipos según el tipo de energía que utilizan: neumáticos, eléctricos y hidráulicos. Es decir, los actuadores neumáticos utilizan aire comprimido como fuente de energía; los eléctricos utilizan electricidad como fuente de energía; y los hidráulicos utilizan la presión de un medio líquido (como el aceite) como fuente de energía. Entre ellos, los actuadores neumáticos presentan ventajas como una estructura simple, un funcionamiento fiable, un rendimiento estable, un precio bajo, facilidad de mantenimiento y protección contra incendios y explosiones. Por estas razones, se utilizan ampliamente en muchos sistemas de control. Aunque los actuadores eléctricos no son ideales para la prevención de incendios y explosiones, su fuente de alimentación es fácil de obtener. Además, permiten una transmisión rápida de señales, facilitan la transmisión a largas distancias, tienen un tamaño reducido, funcionan de manera fiable, son fáciles de mantener y su precio es económico. Los actuadores hidráulicos ofrecen la mayor fuerza de empuje, además de una alta precisión en su ajuste, una velocidad de acción rápida y un funcionamiento suave. Sin embargo, su tamaño es grande y el proceso de fabricación es complejo. 　　(1) Selección del tipo de válvula de regulación. La elección del tipo de cuerpo de la válvula de regulación es el aspecto más importante en su selección. Antes de elegir la válvula, es necesario realizar un análisis detallado del medio que se utilizará en el proceso de control, así como de las condiciones y parámetros del mismo. También es importante conocer las exigencias del sistema con respecto a las válvulas de regulación. Con base en los datos recopilados, se puede determinar qué tipo de válvula será adecuado para utilizar. Al tomar una decisión concreta, se pueden tener en cuenta los siguientes aspectos: principalmente, las características del caudal y las fuerzas de desequilibrio. ① La forma y estructura del elemento de la válvula: cuando el medio fluido es una suspensión que contiene partículas abrasivas en alta concentración, cada cierre de las superficies de contacto entre el elemento de la válvula y su asiento genera un fuerte rozamiento. Por lo tanto, el paso de fluido a través de la válvula debe ser suave, y los materiales utilizados en su interior deben ser resistentes. ② Resistencia al desgaste: Dado que el medio es corrosivo, se debe elegir una válvula con estructura simple, siempre y cuando esto permita cumplir con la función de regulación. ③ Resistencia a la corrosión: Cuando la temperatura y la presión del medio son altas y varían mucho, se deben utilizar válvulas cuyos componentes estén hechos de materiales que no se vean afectados por esos cambios. ④ La evaporación y la cavitación ocurren únicamente en medios líquidos. En el proceso de producción real, la evaporación espontánea y la cavitación no solo afectan el cálculo del coeficiente de caudal, sino que también generan vibraciones y ruidos, lo que acorta la vida útil de las válvulas. Por lo tanto, al elegir las válvulas, es necesario evitar que se produzca evaporación espontánea y cavitación en ellas.  　　⑤ Prevención de la evaporación espontánea y la cavitación. (2) Selección del actuador de la válvula de control. Independientemente del tipo de actuador, su fuerza de salida sirve para superar las fuerzas que actúan sobre la válvula (principalmente las fuerzas de desequilibrio y los momentos de desequilibrio, así como la fricción, la fuerza de sellado y la gravedad). Por lo tanto, para que la válvula de regulación funcione correctamente, el actuador asociado debe ser capaz de generar una fuerza de salida suficiente para superar las diversas resistencias, garantizando así un sellado adecuado y la apertura correcta de la válvula.  　　① Una vez determinada la fuerza de salida del actuador, se elige el actuador adecuado según los requisitos del entorno de uso del proceso. Por ejemplo, cuando se requiere protección contra explosiones en el lugar donde se instala el equipo, deben utilizarse actuadores neumáticos; además, las cajas de conexiones también deben ser de tipo resistente a explosiones. No se pueden utilizar actuadores eléctricos en tales casos. Si no hay requisitos de resistencia a explosiones, se pueden utilizar tanto actuadores neumáticos como eléctricos; sin embargo, desde el punto de vista del ahorro energético, es preferible optar por actuadores eléctricos. En cuanto a los actuadores hidráulicos, aunque no se utilizan con tanta frecuencia como los actuadores neumáticos o eléctricos, tienen la ventaja de ofrecer una alta precisión en su funcionamiento, además de una velocidad y suavidad en sus movimientos. Por eso, en situaciones especiales, donde se necesita un mejor control, también se emplean. Por último, también hay que considerar la fiabilidad y la economicidad del actuador; se debe elegir un actuador que ofrezca un funcionamiento suave, tenga poco peso, un aspecto atractivo, una estructura simple y sea fácil de mantener.  　　② Se debe considerar el análisis de las características de caudal según los requisitos del entorno en el que opera el actuador. 2 2.1 Principio de funcionamiento: p1 representa la presión antes de la válvula de regulación. Según la mecánica de fluidos, la válvula de regulación es un elemento de restricción cuya resistencia local puede variar. Para fluidos incompresibles, el caudal del válvula de regulación es dado por:
p2 – Presión detrás de la válvula de regulación;
A – Área de sección transversal de la válvula de regulación;
ξ – Coeficiente de resistencia de la válvula de regulación;
ρ – Densidad del fluido. 　　Según la ecuación (1), cuando A es constante y Δp = p1 – p2 también es constante, el caudal Q que pasa a través de la válvula varía en función del coeficiente de resistencia ξ. Es decir, cuanto mayor sea el coeficiente de resistencia ξ, menor será el caudal. El coeficiente de resistencia ξ, por su parte, está relacionado con la estructura de la válvula y su grado de apertura. Por lo tanto, la señal de salida del regulador controla si la válvula está abierta o cerrada, lo que permite modificar el coeficiente de resistencia de la válvula y, así, cambiar el caudal del fluido que se regula. 　　2.2 Análisis de las características de caudal Las características de caudal de una válvula de control se refieren a la relación entre el caudal relativo del fluido que fluye a través de la válvula y el grado de apertura relativo de dicha válvula. 　　Las características de caudal de la válvula de regulación incluyen las características de caudal ideales y las características de caudal en condiciones de funcionamiento. Las características ideales de caudal se refieren a las propiedades del caudal cuando la diferencia de presión antes y después de la válvula de control permanece constante. Existen cuatro tipos de características: lineal, de porcentaje constante, parabólica y de apertura rápida, como se muestra en la Tabla 1. En los sistemas reales, la caída de presión a ambos lados de la válvula no es constante. Hay dos principales causas que provocan este cambio: ① Debido a las características de la bomba, cuando el caudal del sistema disminuye, la presión generada por la bomba aumenta; ② Cuando el caudal disminuye, también disminuye la resistencia en los tubos, lo que hace que se ejerza una mayor presión sobre la válvula. Por lo tanto, la diferencia de presión antes y después de la válvula de regulación suele variar. En este caso, la relación entre el caudal relativo y el grado de apertura de la válvula de regulación se denomina característica de caudal de funcionamiento. En concreto, se pueden dividir en las características del caudal de funcionamiento cuando los conductos están en serie, y las características del caudal de funcionamiento cuando los conductos están en paralelo. Válvula de regulación: 4 características ideales de caudal  Tabla 1  Características del caudal: Naturaleza y características. Lineal: En una válvula de regulación lineal, la relación entre el caudal relativo y el grado de apertura relativo es lineal; es decir, el cambio en el caudal relativo por cada unidad de cambio en el grado de apertura relativo es una constante. (1) A bajas aberturas, la variación del caudal es grande, mientras que a altas aberturas dicha variación es menor; (2) A bajas cargas, el rendimiento de regulación es excesivamente sensible, lo que provoca oscilaciones, mientras que a altas cargas la regulación es lenta y no oportuna; (3) La capacidad de adaptación es deficiente. 　　El cambio en el caudal relativo, causado por un cambio porcentual en la distancia recorrida por la unidad, es directamente proporcional al caudal relativo en ese punto. (1) El porcentaje de cambio en el caudal debido a cambios en la distancia recorrida por la válvula es constante. (2) En todo el rango de movimiento de la válvula, su funcionamiento es bastante estable; especialmente cuando está abierta completamente, el factor de amplificación es alto, lo que hace que su funcionamiento sea más eficiente. (3) Se utiliza ampliamente y tiene una gran capacidad de adaptación. (1) Sus características están entre las de una curva lineal y las de una curva con incrementos iguales. (2) Su rendimiento en términos de regulación es bueno, pero su fabricación es complicada.  　　Las características de la parábola se encuentran entre las de una línea recta y las de una distribución uniforme. En la práctica, a menudo se utiliza la distribución uniforme en su lugar. 　　Al abrirse rápidamente la válvula, cuando el recorrido de la misma es pequeño, el caudal aumenta considerablemente, llegando rápidamente al valor máximo. (1) A bajas posiciones de apertura, el caudal ya es bastante alto. A medida que aumenta la posición de apertura, el caudal alcanza rápidamente su valor máximo. (2) Se utiliza generalmente para la regulación en dos posiciones y para el control por programación. 　　(1) Características del caudal de trabajo al conectar tuberías en serie. Cuando se conectan válvulas de control en serie, los cambios en la apertura de dichas válvulas provocan cambios en el caudal. Según las teorías de la mecánica de fluidos, la pérdida de presión en las tuberías está relacionada con el caudal de forma cuadrática. Tan pronto como la válvula de control se activa, el caudal cambia, y por lo tanto, también cambia la resistencia del sistema. En consecuencia, la caída de presión en la válvula de control también varía. Las características del caudal de trabajo al conectar tuberías en serie están relacionadas con la proporción de caída de presión. Cuanto menor es la caída de presión sobre la válvula, menor es también el caudal que fluye cuando la válvula está completamente abierta. Esto hace que la característica lineal ideal se distorsione, convirtiéndose en una característica de apertura rápida; además, la característica isotérmica ideal también se distorsiona, pasando a ser una característica lineal. En la práctica, cuando la válvula de regulación se elige con un tamaño excesivo o cuando la producción no ocurre a plena capacidad, la válvula funciona con una apertura reducida. A veces, para que la válvula tenga una cierta apertura, se la cierra parcialmente con el fin de aumentar la resistencia en las tuberías, lo que a su vez disminuye el caudal que pasa por la válvula. En realidad, esto hace que la relación de caída de presión disminuya, lo cual distorsiona las características de flujo y empeora la calidad de la regulación. 　　(2) Características del caudal de trabajo en tuberías en paralelo. Las tuberías en paralelo suelen estar compuestas por ramales con válvulas y ramales de derivación; la válvula de control se instala en los ramales con válvulas. La válvula de regulación se encuentra en las tuberías en paralelo. Cuando la resistencia del sistema es constante, la relación entre el caudal cuando la válvula de regulación está completamente abierta y el caudal máximo en la tubería principal disminuye a medida que la válvula de derivación de las tuberías en paralelo se abre gradualmente. En este momento, aunque las características de caudal del propio válvula de regulación no cambian, el rango de ajuste del sistema **se reduce**. Asimismo, el rango de variación del caudal que la válvula de regulación puede controlar durante su funcionamiento también **disminuye**, hasta el punto de que deja de ser eficaz para realizar la función de regulación. Para que la válvula de regulación tenga un buen rendimiento en su función de regulación, se considera que el caudal en el circuito de derivación no debe superar el 20 % del caudal total. Selección de las características de caudal  3  Métodos para seleccionar las características de caudal:  ① Método analítico a través de cálculos matemáticos;  ② Método basado en la experiencia adquirida en proyectos reales. Dado que el método analítico es complejo y lleva tiempo, en la mayoría de las obras se utiliza el método empírico. En concreto, se deben considerar los siguientes aspectos: (1) La calidad de regulación del sistema de control automático. Según los principios de compensación de características en la teoría del control automático, para que el sistema mantenga una buena calidad de regulación, es deseable que el producto entre el coeficiente de amplificación total en el circuito abierto y los coeficientes de amplificación de cada uno de los componentes del sistema sea constante. De esta manera, al elegir adecuadamente las características de la válvula, y mediante cambios en su coeficiente de amplificación, se puede compensar los cambios en el coeficiente de amplificación del sistema objetivo, manteniendo así constante el coeficiente de amplificación total del sistema. 　　(2) La selección se realiza en función de los cambios en la caída de presión del sistema de tuberías. La relación de caída de presión de una válvula de regulación se define como el cociente entre la diferencia de presión Δp1m que puede controlar dicha válvula y la diferencia de presión del sistema Δp. Las características de caudal de la válvula de regulación están estrechamente relacionadas con esta relación de caída de presión S, como se muestra en la Tabla 2. Según la caída de presión en el sistema de tuberías, se selecciona la tabla de características del válvula de regulación.
**Tabla 2**: Relación de caída de presión en el sistema de tuberías: S 1-0.6, 0.6-0.3, 0.3-0.
**Características del caudal real de funcionamiento**: Lineal, lineal con porcentaje constante, porcentaje constante. La regulación no es adecuada en estos casos.
**Características del caudal seleccionado**: Lineal, lineal con porcentaje constante, porcentaje constante.
(3) Análisis basado en los cambios de carga: En las válvulas lineales, el caudal varía mucho cuando la abertura es pequeña; la regulación es demasiado sensible y puede causar oscilaciones. Cuando la abertura es grande, la regulación resulta insuficiente, lo que hace que la regulación no sea eficaz. Por lo tanto, en situaciones en las que la relación de caída de presión S es baja y hay grandes variaciones en la carga, no es adecuado utilizar válvulas lineales. La válvula de porcentaje constante funciona de manera suave y gradual cuando está cerca del estado cerrado; en cambio, cuando está cerca del estado completamente abierto, su coeficiente de amplificación es alto, lo que permite un funcionamiento más sensible y eficaz. Por eso, es adecuada para situaciones en las que hay grandes variaciones en la carga. La válvula de característica rápida presenta un caudal elevado cuando el recorrido es pequeño; a medida que el recorrido aumenta, el caudal alcanza rápidamente su valor máximo. Se utiliza generalmente en aplicaciones de control binario y control por programa. (4) La selección se realiza en función de las características del objeto a regular. En general, para aquellos objetos que tienen la capacidad de autoequilibrio, se pueden utilizar válvulas de control con característica de caudal proporcional. En cambio, para aquellos objetos que no poseen esta capacidad, se utilizan válvulas de control con característica de caudal lineal. Selección del diámetro de la válvula de regulación  4 El objetivo de seleccionar el diámetro de la boca de la válvula de regulación es lograr que la combinación entre la válvula y las tuberías tenga unas características lineales razonables, de modo que sea posible controlar de manera eficaz la regulación del sistema. El diámetro de la válvula de regulación se determina en función de la capacidad de flujo requerida por el proceso. Se calcula la capacidad de flujo de la válvula a partir de las condiciones del proceso, y luego se elige el diámetro de la válvula en función de dicha capacidad de flujo. 　　Para elegir adecuadamente el diámetro de la válvula de regulación, es necesario conocer su capacidad de flujo. La capacidad de flujo se refiere al valor del caudal que puede pasar por la válvula de regulación por hora, cuando dicha válvula está completamente abierta, la diferencia de presión entre sus extremos es de 9,81 ×104 Pa y la densidad del fluido es de 1 g/cm³. La capacidad de flujo de la válvula de regulación es un parámetro importante para elegir adecuadamente la válvula y el diámetro de su orificio. Mediante el cálculo de esta capacidad de flujo, se puede determinar el tamaño del orificio de la válvula, tomando como referencia los parámetros técnicos proporcionados por el fabricante. En los sistemas de control automático, el agua es el medio más común y habitual que fluye a través de las válvulas de regulación. Por lo tanto, aquí se utiliza el agua como ejemplo para explicar la capacidad de flujo de estas válvulas. 　　En la práctica de la ingeniería, el diámetro de las válvulas está clasificado en diferentes categorías. El valor C tampoco suele ser un valor continuo (el valor C calculado mediante fórmulas sí es continuo). Los productos del mismo tipo de diferentes fabricantes tienen diferentes tablas de correspondencia entre el valor C y el calibre. Una vez calculado el valor esperado de C, se puede consultar la ficha técnica del producto correspondiente del fabricante para determinar el diámetro de la válvula necesario. El principio para elegir el diámetro de la válvula debe ser que sea lo más cercano posible, o mayor, al valor calculado; no debe ser menor que ese valor. 　　5 Consideraciones importantes: (1) No es razonable seleccionar las válvulas de regulación simplemente en función del diámetro de los tubos a los que se conectan. La calidad de regulación de la válvula no está relacionada con la velocidad del flujo o el diámetro de los tubos; sino que depende únicamente de la resistencia del agua y del caudal. Es decir, una vez que se determinan los equipos del sistema, en teoría solo existe un diámetro ideal para las válvulas que son adecuadas para ese sistema; no hay varias opciones posibles. 　　(2) En cuanto a la selección de las válvulas, si el diámetro de la válvula elegida es demasiado pequeño, por un lado se incrementará la resistencia del sistema. Incluso cuando la válvula está completamente abierta, el sistema no podrá alcanzar la capacidad deseada, lo que conlleva consecuencias graves. Por otro lado, la válvula necesitará una mayor diferencia de presión para mantener un flujo adecuado, lo que aumenta la carga sobre la bomba. Además, la válvula está más susceptible a daños, lo cual afecta negativamente su vida útil. 　　(3) En cuanto a la selección de las válvulas, si se elige un diámetro excesivamente grande para ellas, no solo aumentan los costos de construcción, sino que además las válvulas operan con frecuencia en un rango de porcentaje bajo. Esto provoca una disminución en la precisión de regulación, lo que empeora el rendimiento del sistema. Además, hace que el sistema sea más susceptible a impactos y oscilaciones. 　　(4) Para garantizar la calidad del control del sistema, lo mejor es elegir, dentro de los límites permitidos por el sistema, un diámetro de la válvula que permita una mayor caída de presión, de modo que las variaciones en la caída de presión durante el funcionamiento de la válvula sean lo más pequeñas posible. Cuanto mayor sea el porcentaje de caída de presión que ocurre cuando la válvula está completamente abierta, en relación con la presión total de la bomba, menor será el cambio relativo en la caída de presión de la válvula. De este modo, las características de instalación de la válvula se acercarán más a sus propias características intrínsecas. 　　(5) En los sistemas de control, las válvulas de regulación deben funcionar, en la medida de lo posible, bajo condiciones de caída de presión constante. Esto se debe a que la adecuación de las válvulas al serpentín depende de sus propiedades intrínsecas y del factor de caudal; y estos parámetros de las válvulas dependen, a su vez, de una caída de presión constante. 　　En resumen, el objetivo al diseñar válvulas de regulación es garantizar al máximo los requisitos de calidad en el control del sistema. Para ello, es necesario tener un conocimiento claro de la composición, clasificación y características de las válvulas de regulación, y sobre esa base, saber cómo elegirlas adecuadamente. Además, al configurar válvulas de regulación en un sistema real, es necesario realizar un análisis detallado de todo el circuito de tuberías, teniendo en cuenta todos los factores. Solo de esta manera se puede elegir correctamente la válvula de regulación, garantizando así la calidad de control del sistema de regulación.