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GICI-Grupo de Investigación en control Industrial VÁLVULAS DE CONTROL DESCRIPCIÓN: Las válvulas de control son las encargadas de regular el caudal del.

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1 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial VÁLVULAS DE CONTROL DESCRIPCIÓN: Las válvulas de control son las encargadas de regular el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida y por lo tanto la variable controlada, comportándose como un orificio de área continuamente variable. EL CUERPO: Es el alojamiento de las partes internas de la válvula (Asiento- Obturador) que están en contacto con el fluido, por lo tanto debe ser de material adecuado para resistir altas temperaturas y presiones del fluido sin pérdidas, tener un tamaño adecuado al caudal que se debe controlar y ser resistente a la erosión o corrosión producidas por el fluido. TAPA DE LA VÁLVULA: Permite la unión del cuerpo con el actuador y a su través se desliza al vástago del obturador. Este vástago, accionado por el motor, dispone generalmente de un índice que señala la posición de apertura y cierre de la válvula. 1

2 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial LA EMPAQUETADURA: Para que el fluido no se escape a través de la tapa es necesario disponer de un caja de empaquetadura entre la tapa y el vástago. Para temperaturas superiores a 200ºC se le adicionan a la caja unas aletas de radiación. La empaquetadura que se utiliza normalmente es de teflón cuya temperatura máxima de servicio es de 200ºC. A temperaturas superiores es necesario utilizar otro material o alejar la empaquetadura de cuerpo de la válvula. En el caso de fluidos corrosivos, tóxicos, radiactivos, o muy valiosos hay que asegurar un cierre total en la estopada, lo cual se consigue mediante el uso de fuelles de estanqueidad, o empaquetaduras dobles. La empaquetadura normal suele ser de aros de teflón, de sección en V, comprimidos con un resorte, con la ventaja de que el teflón es autolubricante y no necesita engrase. 2

3 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial PARTES INTERNAS ( Obturador y Asiento): Como partes internas se consideran generalmente las piezas metálicas internas desmontables que están en contacto directo con el fluido. Estas piezas son el vástago, la empaquetadura, los anillos guías del vástago, el obturador y el asiento. Para efectuar la selección del conjunto obturador-asiento se recomienda evaluar los siguientes aspectos. 1. Materiales aptos y especiales para contrarrestar la corrosión, la erosión y el desgaste producidos por el fluido. 2. Características del caudal en función de la carrera (características del caudal inherente) 3. Tamaño normal o reducido que permite obtener varias capacidades de caudal de la válvula con el mismo tamaño del cuerpo. MATERIALEs: Generalmente son construidos en acero inoxidable por ser este un material muy resistente a la corrosión y a la erosión del fluido, pero se fabrican de otros materiales de acuerdo a la aplicación. 3

4 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial CARACTERÍSTICAS DE CAUDAL INHERENTE: La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presión diferencial constante a través de una válvula, se denomina característica de caudal inherente y se representa usualmente considerando como abscisas la carrera del obturador y como ordenadas el porcentaje de caudal máximo bajo una presión diferencial constante. Las curvas características más significativas son las de apertura rápida, lineal e isoporcentual. Otras curvas son las parabólicas y las correspondientes a las válvulas de tajadera, mariposa, Saunders y con obturador excéntrico rotativo. Las curvas características se obtienen mecanizando el obturador para que al variar la carrera el orificio de paso variable existente entre el contorno del obturador y el asiento configure la característica de la válvula. 4

5 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial En el obturador con característica lineal, el caudal (m), es directamente proporcional a la carrera (m) según la ecuación q=Kl donde: q= caudal K= constante l= carrera de la válvula El obturador con característica isoporcentual, produce un cambio en el cambio en el caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de la variación. La ecuación correspondiente es: Si se integra la expresión anterior se obtiene q= caudal a pérdida de carga constante a= constante l= carrera de la válvula 5

6 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial La curva isoporcentual se caracteriza por que al principio de la carrera de la válvula, la variación de caudal es pequeña, y al final pequeños incrementos en la carrera se traducen en grandes variaciones de caudal. Este tipo de válvulas presentan una rangeabilidad de 50 a 1. ACTUADOR DE LA VÁLVULA O SERVOMOTOR: Es el dispositivo que mueve el vástago de la válvula, pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos y digitales; generalmente es neumático por ser simple, de acción rápida y tener gran capacidad de esfuerzo. Se verifica entonces que para cualquier posición, la fuerza ejercida por la presión de entrada sobre el diafragma es igual y opuesta a la fuerza ejercida por el resorte. DondeP= Presión de entrada A= Área del diafragma K= Constante del resorte x= desplazamiento del vástago 6

7 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial ACCESORIOS: Las válvulas de control pueden tener incorporados ciertos tipos de accesorios para realizar funciones adicionales de control. Posicionador: El posicionador es un accesorio para la válvula cuyo objetivo es compensar las fuerzas de desequilibrio que actúan en la válvula y que influyen en la posición del vástago de la válvula y hacen que el control sea errático. Estas fuerzas en los actuadores neumáticos son esencialmente las siguientes: -Fuerza de rozamiento del vástago al deslizarse a través de la empaquetadura. -Fuerza estática del fluido sobre el actuador creada por la presión diferencial del fluido. 7

8 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial El posicionador está acoplado mecánicamente al vástago a través de una leva, de tal forma que el movimiento de este es realimentado en el posicionador y comparado con la señal de entrada, utilizando normalmente el equilibrio de fuerzas. Volante de accionamiento manual: En los casos en que se exige máxima seguridad de funcionamiento de una instalación y el proceso debe continuar trabajando independiente de las fallas que se presentan en el bucle de control es necesario mantener un control de apertura de la válvula, lo cual se realiza mediante el volante de accionamiento manual que puede estar ubicado en la parte superior o lateralmente. 8

9 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL Las válvulas de control pueden ser de varios tipos dependiendo del diseño del cuerpo y del movimiento del obturador. a. Válvulas de movimientos lineal o recíproco: son aquellas en las cuales el obturador se mueve en la dirección de su propio eje y se clasifican de la siguiente manera. - Válvula de globo: Puede ser construida de simple o doble asiento. Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto se emplean cuando la presión del fluido es baja y se requiere que las fugas en posición de cierre sean mínimas. Las válvulas de doble asiento, se emplean cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En la posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento. 9

10 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial - Válvula en ángulo: Esta válvula permite obtener un flujo de caudal sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable, debido a las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión. - Válvula de tres vías: Este tipo de válvula se emplea generalmente para mezcla de líquidos o para derivar de un flujo de entrada dos salidas (Diversoras). Intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor. - Válvula de jaula: Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Como el obturador está contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. 10

11 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial - Válvula de compuerta: Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es ideal para el control todo-nada ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse, la compuerta y el sello presentan rápida erosión y provocan turbulencia. - Válvula en Y: Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por presentar baja pérdida de carga y como válvula de control una gran capacidad de caudal. - Válvula de cuerpo partido: Esta es una modificación de la válvula de globo de simple asiento, con el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la industria alimentaria. - Válvula Saunders: En esta válvula, el obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza por que el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o plástico para trabajar con fluidos agresivos. 11

12 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial b. Válvulas de movimiento o vástago rotatorio: donde el obturador presenta un movimiento circular, dentro de esta clasificación tenemos. -Válvula de obturador excéntrico rotativo: Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico y que está unido al eje de giro por dos brazos flexibles.Se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa y a las de bola por su elevada pérdida de carga admisible. -Válvula de obturador Cilíndrico excéntrico: Esta válvula tiene un obturador cilíndrico excéntrico que asienta sobre el un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o teflón en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. La válvula tiene una ganancia relativamente alta. Es adecuada para fluidos corrosivos y líquidos viscosos o con sólidos en suspensión. -Válvula de mariposa: El cuerpo está formado por un anillo dentro del cual gira transversalmente un disco circular. Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluidos a baja presión. 12

13 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial -Válvula de bola: El cuerpo de la válvula tiene un cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola. Se emplea principalmente en el control de fluidos negros, o con gran porcentaje de sólidos en suspensión. -Válvula de orificio ajustable: El obturador de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que está perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida, y que gira mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un servomotor. La válvula es adecuad para ajustar manualmente el caudal máximo de un fluido, cuando el caudal puede variar en límites amplios en forma intermitente o continua y cuando no se requiere un cierre estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos en general. -Válvula de flujo axial: Consisten en un diafragma accionado neumáticamente que mueve un pistón, el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra un obturador formado por un material elastómero. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es especialmente silencioso. 13

14 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS (Cv y Kv) El primer coeficiente de dimensionamiento que se utilizó fue el denominado Cv, empleado inicialmente en los Estados Unidos, se define como: - Caudal de agua en galones USA por minuto que pasa a través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga de 1 psi. Este coeficiente depende de las dimensiones internas y de la tersura de la superficies de la válvula. En los países que emplean unidades métricas se suele utilizar adicionalmente el coeficiente Kv el cual está definido por la norma IEC de válvulas de control del siguiente modo: - Caudal de agua (de 5 a 40ºC) en m 3 /h que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una pérdida de 1 bar. 14

15 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial El coeficiente Kv para la válvula totalmente abierta se denomina Kvs mientras que para el mínimo valor recibe el nombre de Kvo. Por lo tanto la relación Kvs / Kvo es la denominada rangeabilidad o campo de control que expresa la relación de caudales que la válvula puede controlar. La equivalencia entre los coeficientes Cv y Kv se expresa mediante las relaciones: Fórmula General: La válvula se comporta como un orificio que permite la circulación de un cierto caudal con una determinada pérdida de carga. Aplicando el teorema de Bernoulli en los puntos 1 y 2 de la figura. 15

16 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial 16 Suponiendo fluidos incompresibles: luego: Como V 2 es mucho mayor que V 1 queda : Por otro lado la forma de la válvula da lugar a una resistencia que disminuye la velocidad. Donde: = coeficiente de resistencia (sin dimensiones) V = velocidad del flujo, en m/s h = altura de presión entre la entrada y la salida de la válvula,m y como, q = A V Siendo:q = caudal a través de la válvula, en m 3 /s A = sección del orificio de paso, en m 2

17 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial Resulta donde:q = caudal a través de la válvula, en m 3 /s = densidad del fluido, en Kg/dm 3 Q = caudal máximo, en m 3 /h = densidad en Kg/dm 3 o g/cm 3 P = pérdida de carga en bar para caudal máximo En términos de coeficiente Cv ampliamente conocido será: Q = caudal máximo en gpm = densidad P = pérdida de carga en psi 17

18 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial Ejemplo: - Fluido: Agua de alimentación a caldera a 350ºF - Rata máxima: 200,000 lb/h a 800 psig - Caída de presión: 200 psi -Densidad: 0.89 Como la ecuación trabaja con caudal en gpm, debemos convertir las lb/hr a gpm: 200,000/60 =3,333.4 lb/min 3,333.4/8.328 = 400gpm 60ºF A 350ºF con gravedad específica de 0.89 hay que dividir 400 / 0.89 =450 gpm (es decir un galón de agua a 60ºF pesa lbs, pero a 350ºF pesa 7.41 lbs) 18

19 GICI-Grupo de Investigación en control Industrial Donde:Q = 450 gpm = 0.89 P =(P1 - P2) = 200 ps Para obtener un buen intervalo de control, el índice de capacidad Cv es mayor que el calculado Cvc. El índice de capacidad debe ser 1.25 a 2 veces mayor que el coeficiente calculado. Cvc / Cv = 0.5 a 0.8 Por lo tanto para esta aplicación se recomienda la utilización de una válvula globo de 1½ con Cv de 34 (o de 3 con asientos reducidos en un 40% con Cv=48). El conjunto tapón asiento preferiblemente recubierto de Stellite por la alta caída de presión. 19


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