Guía completa sobre válvulas de regulación

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Este mensaje fue editado por última vez por yunrun el 22 de julio de 2019, a las 00:40. “Guía completa sobre válvulas de regulación” es un documento proporcionado por la empresa japonesa Yokogawa Electric. En él se tratan temas como los actuadores de las válvulas de regulación, el cuerpo de la válvula, los equipos auxiliares para los actuadores, el funcionamiento de las válvulas de regulación, las características relacionadas con el caudal de las mismas, y cómo calcular su coeficiente de caudal. Este material es de gran ayuda para comprender en profundidad cómo funcionan las válvulas de regulación. Guía completa sobre válvulas de control: yunrun.com.cn/tech/1346.html En el campo del control de procesos, se suelen utilizar válvulas de control como dispositivos para regular parámetros como el caudal, la presión, la temperatura y el nivel del líquido. La válvula de regulación está compuesta por un actuador y un cuerpo de la válvula. Al combinarse con diversos equipos auxiliares (como posicionadores, válvulas electromagnéticas, elevadores de presión, controladores de velocidad, válvulas de cierre, etc.), se pueden lograr diversas funciones. Actuador: Según la señal de operación, así como la dirección de movimiento y las características de caudal cuando desaparece la fuente de alimentación, el actuador y el cuerpo de la válvula pueden tener diversas estructuras. Aquí solo se describen las estructuras más representativas. Los actuadores de las válvulas de regulación pueden ser de tipo neumático, eléctrico o electrohidráulico. Los dispositivos de tipo neumático se dividen a su vez en los de tipo diafragma y los de tipo cilindro. Según las señales de operación y el comportamiento cuando la fuente de alimentación desaparece, los actuadores se dividen en tipo directo, tipo inverso, tipo sin dirección y tipo de retención. En el tipo directo, el eje de la válvula asciende cuando desaparecen la señal de operación y la fuente de alimentación, mientras que en el tipo inverso desciende. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240245313786.png http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240246030348.png Diagrama esquemático del principio de funcionamiento del mecanismo de accionamiento. Cuerpo de la válvula: Existen más tipos de cuerpos de válvula que de dispositivos de accionamiento; se elige según el tipo de válvula, el diámetro y las condiciones del fluido. Existen válvulas angulares, válvulas de tres vías, válvulas de diafragma, válvulas de compuerta, válvulas de mariposa, válvulas esféricas, válvulas de rotación excéntrica, entre otras. La válvula esférica es el tipo más común. Se transmite la señal de control de presión al actuador, es decir, al actuador neumático de tipo cilíndrico o de diafragma, para que el vástago de la válvula se mueva hacia arriba y hacia abajo. Como se muestra en la imagen, el vástago de la válvula se mueve hacia arriba y hacia abajo, lo que permite cambiar el espacio entre el émbolo y la sede de la válvula, y así modificar el caudal. Tipos y características de las válvulas. Tipo, características y aplicaciones. Válvula esférica de una sola sede: buen rendimiento en términos de control; baja fuga cuando la válvula está completamente cerrada. Además de los líquidos viscosos o los fluidos altamente corrosivos, puede utilizarse ampliamente en agua, vapor, gases, etc. La válvula esférica de dos asientos utiliza una estructura con dos juegos de asientos que se conectan con el émbolo, a fin de reducir la carga sobre el mecanismo de accionamiento. Cuando la válvula está completamente cerrada, hay una gran fuga y los dimensiones entre las superficies son grandes, por lo que su uso tiene ciertas limitaciones. Válvula de instrumentación: modifica la válvula interna del cilindro para que tenga una estructura móvil, con el fin de evitar que las vibraciones causadas por una diferencia de presión excesiva dañen dicha válvula. Pero hay que tener en cuenta que entre el cilindro y la válvula pueden quedar atrapadas fibras y residuos. Las válvulas de mariposa se utilizan para controlar presiones bajas y la combustión de gases en los hornos. También existen válvulas de mariposa de alto rendimiento adecuadas para condiciones de vapor y presiones medias-bajas. Las válvulas de bola se utilizan principalmente para operaciones de encendido/apagado, como el cambio de línea. A veces, las válvulas manuales existentes también se reemplazan por válvulas de bola para lograr un cambio automático. Válvula de rotación excéntrica, de gran capacidad, apta para lodos. La válvula tiene una forma de cuenco, por lo que es susceptible a la presión ejercida por el fluido, lo que limita su campo de aplicación. La válvula Sanders es adecuada para fluidos y pulpas corrosivos, pero su durabilidad es baja. Equipos auxiliares para los actuadores. Los equipos auxiliares más comunes para los actuadores son los posicionadores neumáticos de válvulas, los posicionadores electro-neumáticos de válvulas, los posicionadores eléctricos de válvulas, las válvulas electromagnéticas, los elevadores de presión, los controladores de velocidad y las válvulas de bloqueo. A continuación, se presenta una breve introducción. 1. Posicionador de válvulas neumáticas: El posicionador es un dispositivo que se instala en el mecanismo de accionamiento para que la apertura de la válvula coincida con la señal del regulador. Se utiliza principalmente para evitar la influencia de cambios en las fuerzas externas, como las variaciones en la presión del fluido, y así acelerar la velocidad del dispositivo de accionamiento. También se utilizan instrumentos neumáticos para mejorar la respuesta cuando el regulador está separado de la válvula. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240126175973.png Principio de funcionamiento del posicionador de válvulas neumáticas. 2. Posicionadores de válvulas electro-neumáticos. Los posicionadores de válvulas electro-neumáticos son dispositivos que convierten las señales de control electrónicas de tipo 4-20 mA DC en señales de presión neumática, lo cual permite ajustar el grado de apertura de la válvula. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240127128473.png Principio de funcionamiento del posicionador de válvulas eléctricas. 3. Posicionador de válvulas eléctricas: El posicionador de válvulas eléctricas se utiliza exclusivamente en combinación con válvulas eléctricas. En la parte de accionamiento eléctrico se instala un motor reversible; a través de una resistencia variable (potenciómetro), el grado de apertura de la válvula se envía como señal de voltaje al posicionador de la válvula eléctrica. A través de los comparadores Q1, Q2 y los relés R1, R2, se controla el movimiento en sentido directo, la parada o el movimiento en sentido inverso del motor reversible, de modo que la señal de regulación Vi y la señal de apertura Vf permanezcan sincronizadas. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240128353630.png Principio de funcionamiento del localizador de válvulas eléctricas 4. Válvula electromagnética: La válvula electromagnética sirve para abrir y cerrar los circuitos de aire. Las válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas electromagnéticas de 2 vías, de 3 vías, de 4 vías, etc. En comparación con el control directo del fluido, se utilizan más frecuentemente en los circuitos de accionamiento de válvulas de conmutación o para la interconexión de señales neumáticas. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240129535817.png Principio de funcionamiento de la válvula electromagnética.
http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240130441755.png Ejemplos de aplicación de las válvulas electromagnéticas.
5. Elevador de presión: Se utiliza un elevador de presión cuando la capacidad de aire del regulador es grande o cuando la distancia de transmisión de la señal neumática es larga, con el fin de mejorar la velocidad de respuesta. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240131358005.png Estructura y principio de funcionamiento del elevador de voltaje. 6. Controlador de velocidad: El controlador de velocidad es un dispositivo que se instala entre la señal del regulador y la parte de accionamiento, con el fin de retrasar la señal emitida por el regulador. También se puede utilizar para prevenir el fenómeno del golpe de ariete. La placa de orificios variable/ajuste está compuesta por una válvula de aguja, y el tiempo de retardo se establece en el valor deseado. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240132373317.png Estructura de principio del controlador de velocidad. 7. Válvula de bloqueo: La válvula de bloqueo es una pequeña válvula que permite mantener la apertura de la válvula de regulación en caso de interrupción de energía eléctrica o de suministro de presión de aire. Al diseñar, se debe considerar si la válvula de cierre vuelve a su estado original cuando se restablece el suministro de energía o la presión de aire, así como elegir la secuencia o el tipo de válvula de cierre. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240140373473.png Válvulas de cierre y ejemplos de su uso. Características de caudal de las válvulas de regulación. Las características de caudal de las válvulas de regulación son, principalmente, lineales, a porcentaje constante, de apertura rápida y parabólicas. Se describe en detalle en el artículo de este sitio titulado «Método de selección de las características de caudal de las válvulas de regulación», por lo que no se repetirá aquí. Al instalarse en el proceso de control real, la diferencia de presión en la válvula varía según los cambios en el caudal. Es decir, cuando el caudal es bajo, la pérdida de presión en las tuberías es menor; por lo tanto, la diferencia de presión en la válvula aumenta. En cambio, cuando el caudal es alto, la diferencia de presión en la válvula disminuye. Esta característica de la válvula, que difiere de sus propiedades intrínsecas, se denomina característica de caudal efectiva. La válvula interna de la función de arranque rápido es de tipo disco, y se utiliza principalmente para las operaciones de apertura/cierre. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240153503473.png Forma de la superficie curva del elemento de control de la válvula. Las características de control del caudal de la válvula están determinadas por las propiedades de flujo de la propia válvula, así como por la combinación con las tuberías de proceso y las bombas, entre otros elementos. Se realiza una selección según la proporción de pérdida de presión en cada válvula dentro del sistema, tal como se indica en la tabla a continuación. Objetos de control: Proporción que representa la pérdida de presión en las válvulas del sistema; características de caudal de las válvulas; control de caudal o control de nivel. Menos del 40%, etc. Control de caudal o control de nivel. Más del 40%. Lineal. Control de presión o control de temperatura. Menos del 50%, etc. Control de presión o control de temperatura. Más del 50%. Lineal. Dado que la pérdida de presión en las tuberías aumenta en proporción al cuadrado del caudal, si las características de la propia válvula son lineales, cuando el caudal es bajo, la diferencia de presión en la válvula aumenta; al abrir ligeramente la válvula, el caudal aumenta significativamente. Cuando el caudal es alto, la diferencia de presión en la válvula disminuye. Por lo tanto, el caudal no está en proporción directa con el grado de apertura de la válvula. Por ello, el objetivo del diseño de una característica isotérmica es incorporar las propiedades de las tuberías y las bombas, a fin de lograr un control del caudal que varíe únicamente en proporción al grado de apertura de la válvula, independientemente del tamaño del caudal. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240155381286.png Sistema de tuberías y pérdida de presión. Funcionamiento de la válvula de regulación. Se puede elegir el modo de funcionamiento de la válvula de regulación en función de la combinación del dispositivo de accionamiento y el cuerpo de la válvula. La combinación del dispositivo de accionamiento con el cuerpo de la válvula, así como el funcionamiento de la válvula (ejemplo de válvula de asiento simple). El funcionamiento de la válvula incluye tres modos: funcionamiento en dirección positiva, funcionamiento en dirección negativa y funcionamiento en modo de retención. Los métodos de accionamiento neumático, como los de tipo diafragma o cilíndrico, funcionan mediante el aumento de la presión de aire para cerrar la válvula; esto también se conoce como “AIR TO CLOSE”. El método de operación inversa consiste en abrir la válvula mediante un aumento de la señal de presión de aire; también se conoce como “AIR TO OPEN” o “AIRLESS TO CLOSE”. La señal de control eléctrico puede convertirse en una señal de presión neumática a través del localizador. En caso de interrupción de la señal de operación, falta de suministro de aire o apagón, considere la seguridad y la racionalidad del procedimiento al decidir si cerrar o abrir las válvulas. Por ejemplo, en un proceso de mezcla de agua y ácido donde se controla la cantidad de ácido mediante válvulas, si se produce una interrupción en los cables de señal eléctrica, una fuga en las tuberías de señal de aire, una interrupción en el suministro de aire o un corte de energía, es una práctica segura y razonable cerrar la válvula de control del ácido; para ello, se deben utilizar válvulas con funcionamiento inverso. Selección del diámetro de la válvula de regulación: La elección del diámetro de la boca de la válvula se realiza en función de las características del fluido y de las condiciones de uso. Se calcula el diámetro más adecuado, así como el coeficiente de caudal Cv necesario. A continuación, se selecciona el diámetro de la boca de la válvula que se ajuste al valor del coeficiente de caudal Cv requerido. 1. Definición del valor Cv: Cuando la diferencia de presión en la válvula es de 1 psi (0,07 kg/cm² = 7 kPa), y el agua a temperatura ambiente fluye a una velocidad de 1 galón por minuto (3,785 litros), el valor del coeficiente de capacidad de caudal Cv se define como 1. 2. Cálculo del valor de Cv: ① Cálculo del valor de Cv para líquidos. ② Cálculo del valor de Cv para gases. ③ Cálculo del valor de Cv para vapor. 3. Sistema de unidades SI: Definición de los valores de Av y Cv. Sin embargo, en la actualidad el valor Cv es el que se utiliza más ampliamente. 4. Método de cálculo del valor Cv de la válvula. El valor Cv se divide en Cv requerido y Cv de la válvula. Se requiere que el Cv se calcule en función de la diferencia de presión de la válvula y las condiciones del fluido. La capacidad de flujo del válvula Cv se refiere a la capacidad que tiene la válvula para permitir el paso de fluidos; esta capacidad está determinada por la forma y el diámetro de la válvula. Al elegir el diámetro de la válvula, se debe seleccionar una válvula cuyo valor Cv sea ligeramente mayor que el valor Cv requerido. No es necesario realizar cálculos precisos para Cv. ①Cálculo del Cv: cuando el fluido es líquido. ② Método sencillo para estimar el valor de Cv de las válvulas. El valor de Cv de una válvula esférica de 1 pulgada es aproximadamente 10. El valor de Cv varía en función del cuadrado del múltiplo del diámetro de la válvula; por lo tanto, el valor de Cv para una válvula de 2 pulgadas es aproximadamente 40. ③Ejemplo de cálculo: Cuando abrimos el grifo para lavarnos las manos, el caudal de agua es de aproximadamente 5 L/min (0,3 m³/h). La presión del agua es de unos 0,05 MPa; al tomar la raíz cuadrada, este valor resulta ser aproximadamente 0,22. Por lo tanto, el valor Cv de una válvula con un diámetro de 13 mm es de aproximadamente 3, mientras que el valor Cv de una válvula con un diámetro de 8 mm es de aproximadamente 1. De esta manera, se puede garantizar un suministro adecuado de agua. Los tuberías de agua potable suelen utilizar tubos de 13 mm (1/2 pulgada) y 8 mm (1/3 pulgada); claramente, se trata de diámetros adecuados que permiten lograr un equilibrio. El artículo proviene de “Changhui Instrument Network””