ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Transcripción

1 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Los elementos finales de control son mecanismos que modifican el valor de una variable que ha sido manipulada como respuesta a una señal de salida desde un dispositivo de control automático; es decir, se encarga de manipular alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Según el tipo de proceso, hay dispositivos que reciben señales de control del tipo discretas, tipo batch o continuas. Los elementos finales de control pueden ser una válvula de control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servoválvula, un relé, elementos calefactores de carácter eléctrico o un amortiguador. Ya que industrialmente lo más común es que la variable manipulada por estos dispositivos sea un caudal, el elemento de control de más amplia difusión es la válvula y por ello se hará énfasis en éste. VÁLVULAS DE CONTROL Su función es variar el flujo de material o energía a un proceso de control, modificando el valor de la variable de medida, comportándose como un orificio de área variable. Las válvulas pueden ser modelas siguiendo una dinámica de segundo orden. Para válvulas pequeñas o de tamaño medio, la dinámica es tan rápida que se consideran procesos de primer orden. Las válvulas funcionan según el teorema de Bernoulli, el cual describe que el flujo a través de un orificio como: Donde, Las válvulas están constituidas por dos partes: Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal o rotacional) producto de 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 ésta el caudal.

2 PARTES DE UNA VÁLVULA DE CONTROL Una válvula de control típica se compone de cuerpo y de servomotor. El cuerpo de la válvula contiene en su interior el cuerpo y los asientos provistos de roscas o bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la acción de control del paso de fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o tener un movimiento rotativo. El servomotor acciona el movimiento del vástago y con ello el obturador. Puede ser neumático, eléctrico, hidráulico o digital (los más utilizados, son los dos primeros) *Servomotor neumático: Consiste en un diafragma o pistón con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 3 y 15 psi, es decir, que las posiciones extremas de la válvula ocurren a 3 y 15 psi. Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y a la fuerza ejercida por el resorte. *Servomotor eléctrico: Es un motor eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranajes. El motor se caracteriza fundamentalmente por su par y por el tiempo requerido (usualmente 1 minuto) para hacer pasar la válvula de la posición abierta a la cerrada o viceversa.

3 Vástago: Su función es la de unir al obturador con el servomotor, este dispone de una marca que indica la apertura o cierre. de la válvula Tapa: La tapa de la válvula tiene como como función el cuerpo al servomotor, según la temperatura del fluido con el que se esté trabajando y el grado de estanqueidad están los siguientes tipos de tapas: Tapa normal: Se usa para trabajar con fluidos cuya temperatura este entre 0 C y 200 C Tapa con columnas de extensión: Es ideal para trabajar con fluidos de baja temperatura. Tapa con fuelle de estanqueidad: Es usada para fluidos con temperaturas entre 20 C y 450 C. Tapa con aletas de radiación: Se usa para trabajar con fluidos entre 20 C y 450 C aunque se recomienda invertir la válvula en temperaturas por encima de 350 C para facilitar el enfriamiento de la empaquetadura. Empaquetadura: Es una caja de protección que se ubica entre la tapa y el vástago cuya función es impedir que el fluido escape a través de la tapa.

4 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. Bridas: Es la parte donde se realiza la conexión del cuerpo de la válvula con la tubería. Las bridas están normalizadas de acuerdo con las presiones y temperaturas de trabajo. Obturador: Es la parte que realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar en su propio eje o bien tener un movimiento rotativo.

5 Asiento: Junto con el obturador forman el corazón de la válvula, al controlar el caudal gracias al orificio de paso variable que forman al variar su posición relativa, y que además tienen la misión de cerrar el paso del fluido. TIPOS DE VALVULAS Las válvulas se pueden clasificar de acuerdo a la forma de su cuerpo y al movimiento del obturador, como se muestra en la siguiente imagen: Las válvulas de movimiento lineal, en las cuales el obturador se mueve en la dirección de su propio eje, se clasifican así: Válvula de globo La válvula de globo es adecuada para utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones, desde el control de caudal hasta el control abierto-cerrado (On-Off). Cuando el tapón de la válvula está en contacto firme con el asiento, la válvula está cerrada. Cuando el tapón de la válvula está alejado del asiento, la válvula está abierta. Por lo tanto, el control de caudal está determinado no por el tamaño de la abertura en el asiento de la válvula, sino más bien por el levantamiento del tapón de la válvula (la distancia desde el tapón de la válvula al asiento). Una característica de este tipo de válvula es que incluso si se utiliza en la posición parcialmente abierta, hay pocas posibilidades de daños al asiento o al tapón por el fluido.

6 Válvula en ángulo Permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias. Es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial. Es empleada en fluidos que vaporizan (flashing), para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión. Válvula de tres vías Es una válvula mezcladora de fluidos o que deriva un flujo de entrada en dos de salida. Se emplean normalmente en el control de temperatura de intercambiadores de calor, facilitando un control muy rápido de la temperatura, gracias a que el fluido de calefacción puede derivar, a través de la válvula, sin pasar por el intercambiador. Suelen estar dotadas de un actuador eléctrico, neumático o térmico. Válvula de jaula Es un tipo de válvula de globo. Su nombre se debe a que el obturador es guiado por una especie de jaula inmersa en el cuerpo de la válvula. Se caracteriza por el fácil desmontaje del obturador. Se emplea cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. Como el obturador esta contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten lograr así un cierre hermético.

7 Válvula de compuerta Efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial, que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total. Válvula en Y Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja pérdida de carga y como válvula de control presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de autodrenaje cuando está instalada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas. Válvula de cuerpo partido Es una modificación de la válvula de globo, el cuerpo esta partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento, debido a su disposición permite una fácil sustitución del asiento y ayuda a que el fluido fluya de forma suave y sin espacios muertos en el cuerpo, es muy útil para trabajar con fluidos viscosos y en la industria alimentaria. Válvula de Saunders En este tipo de válvula el obturador es una membrana flexible que a través del vástago es forzada contra un resalte del cuerpo y de esta manera cerrando el paso del fluido, presenta gran facilidad para revestirse de goma o plástico para trabajar con fluidos agresivos, aunque necesita de un servomotor muy potente para su uso.

8 Válvula de compresión Esta válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles, ofrece un gran control de cierre parcial y se usa principalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o que contengan partículas sólidas en suspensión. Válvula de obturador excéntrico rotativos Presenta un obturador de superficie esférica, se caracteriza por presentar un alto flujo de caudal, comparado al de las válvulas de mariposa. Válvula de obturador cilíndrico excéntrico Este tipo de válvula tiene un obturador cilíndrico que se asienta contra un cuerpo cilíndrico, se logra un cierre hermético con un revestimiento de goma o teflón, es muy útil para fluidos corrosivos y líquidos viscosos. Válvula Mariposa El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrarse herméticamente mediante un anillo de plástico encastrado en el cuerpo. Las válvulas de mariposa usualmente sirven para aplicaciones de baja presión (125 lbs). Se pueden usar para abrir o cerrar el paso a un fluido o para regularlo aunque no es completamente recomendable. Se caracterizan por su operación rápida ya que abren y cierran a ¼ de vuelta.

9 Válvula de bola Las válvulas de bola ofrecen muy buena capacidad de cierre y son prácticas porque para abrir y cerrar la válvula es tan sencillo como girar la manivela 90. Se pueden hacer de 'paso completo', lo que significa que la apertura de la válvula es del mismo tamaño que el interior de las tuberías y esto resulta en una muy pequeña caída de presión. Otra característica principal, es la disminución del riesgo de fuga de la glándula sello, que resulta debido a que el eje de la válvula solo se tiene que girar 90. Cabe señalar, sin embargo, que esta válvula es para uso exclusivo en la posición totalmente abierta ó cerrada. Esta no es adecuada para su uso en una posición de apertura parcial para ningún propósito, tal como el control de caudal, debido a que se puede deformar el asiento. 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.

10 Comparación entre los diferentes tipos de válvulas: VAPORIZACIÓN (FLASHING) Y CAVITACIÓN La cavitación es un proceso de dos etapas, asociado al flujo de líquidos a través de los internos de las válvulas. Comienza con la formación de cavidades de vapor o burbujas en la corriente del líquido, como resultado de la caída de presión local por debajo de la presión de vapor del líquido. La segunda etapa del proceso consiste en la implosión de las burbujas de vapor, volviendo de nuevo a la fase líquida, en el momento en que la presión local es mayor que la presión de vapor. En el núcleo de implosión de la burbuja se produce un pico de presión local del orden de 7000 bar. Si la implosión de esas burbujas ocurre cerca de una pieza metálica, como el obturador o el asiento de la válvula, el metal se daña rápidamente. El mejor método para librarse de los daños provocados por la cavitación es impedir que ésta se origine. Si la caída de presión a través de la válvula se produce en varios saltos pequeños, mediante una tubería interna adecuada, se evita que la presión local del líquido caiga por debajo de la presión de vapor, con lo que la cavitación no aparece. El flashing es un proceso parecido a la cavitación, pero con una diferencia importante: en el flashing, la presión aguas abajo es siempre inferior a la presión de vapor del líquido que entra aguas arriba, con lo que éste ya no vuelve a la fase líquida. Así, el líquido entra a la válvula, se vaporiza al atravesarla, y sale como vapor. Si la presión aguas abajo de la válvula está prefijada, y es menor que la presión de vapor del líquido, el flashing va a ocurrir siempre, inevitablemente. El problema está en que la vaporización del líquido no ocurre instantáneamente en todo el seno del fluido a la vez, sino que es un proceso gradual. La corriente de vapor recién generado arrastra gotas de líquido aún sin evaporar, que impactan contra las superficies metálicas del interior de la válvula.

11 Para evitar que el flashing produzca daños, se utilizan válvulas de globo en ángulo, con flujo por encima del asiento, internos de material duro y cuerpos de acero aleado APLICACIONES INDUSTRIALES DE LAS VÁLVULAS Industria embotelladora: Se emplean válvulas de encendido y apagado para el llenado de líquidos de las botellas. Válvulas de presión: Se emplean como brazos neumáticos para automatización de procesos. Control de nivel: Se direcciona el fluido en el sentido deseado según se requiera. Control de caudal: Para evitar pérdida de producto y llenado en tiempo óptimo de recipientes