Este documento trata sobre elementos finales de control como las válvulas de control. Explica los diferentes tipos de válvulas como las de globo, diafragma, mariposa, esférica y de tapón, describiendo sus características y usos comunes. También cubre temas como clasificación, especificación y características de flujo de las válvulas, así como el funcionamiento y tipos de actuadores como neumáticos, eléctricos y electro-hidráulicos.
3. LA VÁLVULA DE CONTROL
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
Son los dispositivos encargados de transformar una
señal de control en un flujo de masa o energía
(variable manipulada).
Lo más común en procesos es que la manipulación
sea un caudal.
4. Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen
primeramente dos mecanismos:
Modificar la energía entregada al fluido (bombas y
ventiladores de velocidad variable)
Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas,
registros en ductos de gas)
De los diversos elementos finales de control, el de
más amplia difusión es la válvula automática con
actuadores neumáticos o eléctricos.
5. La válvula de control es básicamente un
orificio variable por efecto de un actuador.
Constituye el elemento final de control en
más del 90% de las aplicaciones
industriales.
En la figura se muestra una válvula globo
con un actuador neumático de diafragma
en donde se indican las diversas piezas que
lo constituyen:
6. 1. Cabezal de acero reforzado para soportar sobrecargas
sin fracturarse.
2.Diafragma de Neopreno reforzado, resistente al aceite.
3.Guía superior del vástago, que mantiene un verdadero
alineamiento con muy baja fricción.
4.Platos de Cadmio, guías del muelle para su
alineamiento.
5.Cojinete esférico de acero inoxidable, para fácil ajuste
de la presión del fuelle.
6.Múltiples muelles, para mejores características de
recorrido de la válvula. Gran área de diafragma y muelles
pesados minimizando la histéresis.
7. Tornillo de ajuste del muelle, accesible.
8.Armadura ancha, proporcionando acceso a la
empaquetadura
9.Indicador de recorrido de la válvula
10.Conector con recubrimiento de teflón.
11.Válvula interior reversible sin cambio de partes
12.Válvula interior disponible en bronce o acero
inoxidable
13.Anillos de asiento en bronce o acero inoxidable con
rosca maquinada.
7. Esta válvula utiliza una señal externa que puede
ser neumática o eléctrica y posteriormente
transformada en una de tipo neumática que incide
en el cabezal.
Estos elementos los podemos considerar
constituidos por dos partes:
Actuador: Recibe la señal del controlador y la
transforma en un desplazamiento (lineal o
rotacional) debido a un cambio en la presión
ejercida sobre el diafragma.
Cuerpo: El diafragma está ligado a un vástago o
eje que hace que la sección de pasaje del fluido
cambie y con esta el caudal.
9. ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULAS
Cuerpo e internos: Indicando el tipo, material y serie
que se fija de acuerdo al servicio que deba prestar.
También hay que indicar el diámetro que está
relacionado con la capacidad y a esto se le llama
dimensionamiento. Característica de flujo.
Actuador: Se debe elegir el tipo de motor (neumático
de cabezal o pistón, eléctrico, etc.) y la acción ante
falla y el tamaño.
Accesorios: Elementos adicionales como
transductores I/P o V/P, volante de accionamiento
manual, posicionador, etc.
12. CARACTERÍSTICAS
LINEALES
-FLUJO TORTUOSO
-RECUPERACIÓN BAJA
-PUEDE MANEJAR FLUJO
PEQUEÑO
-VARIEDAD Y DISEÑOS
ESPECIALES
-CONSTRUIDOS PARA
APLICACIONES DE ALTA
PRESIÓN
-CON BONETE SEPARABLE
ROTATIVAS
-FLUJO RACIONALIZADO
-ALTA RECUPERACIÓN
-MÁS CAPACIDAD
-MÁS COMPACTA
-PUEDE MANEJAR ABRASIVOS
-BONETE INTEGRAL
13. VÁLVULA TIPO GLOBO
Alto costo en relación al Cv
Aplicación limitada para
fluidos con partículas en
suspensión
Disponible en varios modelos
Amplia disponibilidad de
características de flujo
Rangeabilidad 35:1 a 50:1
Existen tipos especiales para
aplicaciones criogénicas,
vaporización, etc…
16. VÁLVULA DE DIAFRAGMA
Recomendada para Servicio con
apertura total o cierre total.
**Para servicio de estrangulación.
**Para servicio con bajas presiones de
operación.
Aplicaciones
**Fluidos corrosivos, materiales
pegajosos o viscosos, pastas
semilíquidas fibrosas, lodos,
alimentos, productos
farmacéuticos.
17. Ventajas
Bajo costo.
No tienen empaquetaduras.
No hay posibilidad de fugas
por el vástago.
Inmune a los problemas de
obstrucción, corrosión o
formación de gomas en los
productos que circulan.
Desventajas
Diafragma susceptible de
desgaste.
Elevada torsión al cerrar con la
tubería llena.
18. VÁLVULA MARIPOSA
Disponibilidad para grandes
diámetros hasta 150”
Bajo costo en versión
estándar
Bajo costo en relación a Cv
Susceptibles a cavitación y
ruido
Baja pérdida de carga
Cierre hermético con
recubrimientos especiales
19. Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre
total.
Servicio con estrangulación.
Para accionamiento frecuente.
Cuando se requiere corte positivo para
gases o líquidos.
Cuando solo se permite un mínimo de
fluido atrapado en la tubería.
Para baja ciada de presión a través de la
válvula.
Aplicaciones
Servicio general, líquidos, gases, pastas
semilíquidas, líquidos con sólidos en
suspensión.
20. VÁLVULA ESFÉRICA (BALL)
Apta para el manejo de
suspensiones muy viscosas o
con fibras y sólidos.
Requiere motores de gran
tamaño
Precisan posicionadores
Deben ser extraídas de la
línea para mantenimiento
Rangeabilidad típica de 50:1
21. VÁLVULA DE TAPÓN (PLUG)
Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre total.
Para accionamiento frecuente.
Para baja caída de presión a través de la
válvula.
Para resistencia mínima a la circulación.
Para cantidad mínima de fluido atrapado
en la tubería.
Aplicaciones
Servicio general, pastas semilíquidas,
líquidos, vapores, gases, corrosivos.
.
22. **Ventajas
Alta capacidad.
Bajo costo.
Cierre hermético.
Funcionamiento rápido.
** Desventajas
Requiere alta torsión (par) para accionarla.
Desgaste del asiento.
Cavitación con baja caída de presión
23. VÁLVULA SAUNDERS
Ampliamente usadas para el
manejo de fluidos corrosivos
o erosivos
Construcción simple
Cierre hermético y las partes
móviles no tienen contacto
con el fluido
Limitado rango para
presiones y temperaturas de
trabajo
Rangeabilidad entre 3:1 a 15:1
24. VÁLVULA DE CONTROL POSICIÓN FALLO-SEGURO
(FAIL- SAFE)
Causa de condición de fallo seguro : Perdida de presión de aire
A. ACTUADORES LINEALES MUELLE / DIAFRAGMA. Usados con
válvulas de control de vástago corredizo, pueden ser acoplados
de dos maneras:
1. Arreglando la orientación asiento de anillo/tapón. Los muelles son
intercambiados por alguno de los siguientes actuadores de
diafragma:
25. 2 .Arreglando la orientación del muelle. La posición del
asiento de anillo/tapón son invertidos relativamente el
uno con el otro. En el diseño de fallo abierto, el tapón se
recorre sobre el asiento de la válvula. En el diseño de
fallo cerrado, el tapón se recorre sobre el asiento de la
válvula.
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30. B. ACTUADORES ROTATORIOS MUELLE/DIAFRAGMA.
Usados con válvulas de control rotatorias (mariposa, tapón
excéntrico…). Para regresar al tipo de modo de fallo para
este tipo de válvula están normalmente acopladas para
regresar a la locación de palanca de brazo y tapón. En el
funcionamiento, para mantener la coherencia, la acción ATO-
FC será considerada como acción inversa para válvulas de
control rotatorias o de vástago deslizable.
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32. COMPARACIÓN DE CARACTERÍSTICAS DE
ACTUADORES
MUELLE Y DIAFRAGMA
Ventajas Desventajas
-Bajo costo
-Capacidad de salida
limitada
-No necesitan un posicionador -Gran tamaño y peso
-Simplicidad
-Acción inherente Fail-Safe
-Requiere bajo suministro de
presión
-Ajustables
-Fácil mantenimiento
33. PISTÓN NEUMÁTICO
Ventajas Desventajas
-Alta capacidad de torque
-El Fail-Safe requiere
accessorios o adición de
muelles
-Compacta
-Posicionador requerido para
su manejo
-Ligeras -Costo elevado
-Adaptable para altas
temperatures ambientales
-Requiere alto suministro de
presión
-Velocidad
-Dureza en el actuador
(reforzado)
35. ELECTRO-HIDRÁULICA
Ventajas Desventajas
-Gran capacidad de salida -Costo elevado
-Actuador reforzado
-Complejas y de difícil
mantenimiento
-Excelentes ante
aceleración
-Gran tamaño y peso
-Velocidad
-Acción Fail-Safe sólo con
accesorios
36. POSICIONADORES DE ACCIÓN DIRECTA
E INVERSA
Los términos “directa” e “inversa” son usados
frecuentemente cuando hablamos de válvulas de
control, posicionadores y controladores. Mientras
las definiciones de directa e inversa parecen
simples , estas causan un poco de confusión.
La clave para trabajar con válvulas de control y
controladores es recordar que siempre hay que
mantener el balance en el sistema.
37. Mientras los cuerpos de las válvulas de
control y los actuadores de la válvula pueden
ser descritos como de acción directa o
inversa, pensando así cosas cuando
trabajamos acerca de un problema del
sistema, solo añadimos confusión. Por lo
tanto siempre es mejor considerar el modo
de fallo seguro (fail safe) de la válvula y dejar
que la válvula lo haga.
El 99% de las veces, los posicionadores
serán imitados por la señal de entrada del
controlador. Serán de ACCIÓN DIRECTA.
38. Otra razón para que el posicionador neumático de acción directa sea tan
popular es que se le puede colocar un by-pass y la válvula de control
responderá a la señal de entrada del controlador como si el posicionador
estuviera en el bucle de control. Si en el posicionador ocurre un mal
funcionamiento o si el posicionador causa que la válvula de control se vuelva
inestable, puede ser colocado fácilmente un by -pass. Muchas válvulas de
control en el campo son operadas con posicion adores con by-pass.
39. Los posicionadores de acción inversa son usados
algunas veces en las v álvulas de control, pero su
apariencia es rara.
40. Los controladores pueden ser instala dos como cualquiera de
los modos, de acción directa o inversa. Si la válvula de
control y su controlador no están en balance , la válvula de
control será colocada en la posición abierta y permanecerá
ahí, o permanecerá cerrada y actuará como si no
respondiera. Esta situación puede normalmente ser
corregida por la acción inversa del controlador.
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42. Dos de los más comunes usos de la válvula de control para el
control de presión. En ambas instancias, los controladores son
de acción inversa
43. CARACTERÍSTICAS DE FLUJO DE
UNA VÁLVULA DE CONTROL
Es la relación entre la capacidad de la válvula y el
recorrido de la válvula.
El porcentaje de flujo total a través de la válvula
es ploteado contra la posición del vástago de la
válvula. Las curvas muestran el comportamiento
típico de la válvula, de acuerdo a su manufactura.
Estas curvas están basadas en caídas de presión
constante a través de la válvula y son llamadas
CARACTERÍSTICAS INHERENTES DE
FLUJO.
44. La mayoría de las aplicaciones de control ocupan las sig.
características de flujo:
**LINEAL: La capacidad de flujo incrementa linealmente con el
recorrido de la válvula.
**IGUAL PORCENTAJE: La capacidad de flujo incrementa
exponencialmente con el recorrido de la válvula; igual
incremento en el recorrido de la válvula produce igual
porcentaje en el existente Coeficiente de flujo ( Cv).
**PARABÓLICA: Es aprox. La mitad del camino entre las
características de lineal-igual porcentaje.
Cuando el flujo actual en un sistema es ploteado contra una
válvula abierta, la curva es llamada CARACTERÍSTICAS DE
FLUJO EFECTIVAS.
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48. CARACTERÍSTICAS DE FLUJO
EFECTIVAS
Es la relación flujo-apertura de la válvula en la
línea en las condiciones de trabajo. Cuando una
válvula de control se instala en una planta de
proceso, su característica de flujo depende de la
Característica Inherente y del resto del sistema.
El flujo a través de la válvula está sujeto a
resistencia por fricción en la propia válvula y en
el resto del sistema.
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51. Para medir la influencia que ejerce la instalación en la
característica de flujo de la válvula se define el coeficiente:
Y como
**Entonces α=1 significa que toda la pérdida de carga se
concentra en la válvula, independientemente del flujo que
circule y por lo tanto la línea no tiene ninguna influencia
en la característica de flujo.
máx
Pv
Pv
apertura
menor
válvula
Pv
abierta
nte
completame
válvula
Pv
min
máx
Pv
PL
Pv
PT
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54. La característica de flujo instalada o efectiva es
crucial ya que determina la ganancia de estado
estacionario del cuerpo de la válvula, y como se
aprecia en las gráficas anteriores puede tener
grandes cambios dependiendo del punto
particular de trabajo. La elección de la
característica más apropiada deberá hacerse
según el criterio:
“Elegir la característica que asegure que el margen de
estabilidad del lazo sea lo más constante dentro del rango
de trabajo”
55. DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS
DE CONTROL
Es la determinación del tamaño de la válvula,
que viene dado por su diámetro .
Las válvulas sobre-dimensionadas pueden llegar
a tener un pobre desempeño cuando trabajan en
un lazo de control.
El método más aceptado para el
dimensionamiento es conocido como
Procedimiento de Cv. Cv es el Coeficiente de Flujo de la
válvula y depende del tipo, diámetro y grado de apertura
de este dispositivo.
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58. Esto sólo se aplica cuando el régimen de flujo es
subcrítico y turbulento. Además, para líquidos hay
que verificar que no se produzca cavitación.
Si el régimen es viscoso o de transición se deben
aplicar otras fórmulas.
Cuando hay vaporización parcial del líquido, el
régimen es crítico y se tiene en cuenta una ec. de
dimensionamiento distinta con un coeficiente
adicional.
Para gases, también se debe tener en cuenta si el
régimen es crítico o de transición.
59. PRESIÓN vs METALES PARA METALES
SELECCIONADOS
CF8M ACERO INOX.
WCB ACERO AL CARBÓN
CW-12MW HASTELLOY C
60. F1 - COEFICIENTE DE RECUPERACIÓN
DE FLUJO
F1 – Es una dimensión menos cuantificable
(medida cuando la válvula no está en choque)
61. La Vena Contracta es el lugar a través del eje de
flujo, justo más allá del orificio, donde el vapor se
contracta al mínimo a través de una sección de área.
Es el punto en el que la velocidad es más alta y la
presión del fluido es la más baja.
62. TIPO DE BAJA RECUPERACIÓN: Es una
válvula diseñada que disipa una considerable
cantidad de flujo-energía.
TIPO DE ALTA RECUPERACIÓN: Disipan
poca energía del fluido.
