Elementos De Presion

CAPITULO 5. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

5.1. INTRODUCCIÓN.

Un elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variable

manipulada en respuesta a una señal de salida desde el dispositivo de control automático;

típicamente recibe una señal del controlador y manipula un flujo de material o energía para

el proceso. El elemento final de control puede ser una válvula de control, variadores de

frecuencia y motores eléctricos, una servoválvula, un relé, elementos calefactores de

carácter eléctrico o un amortiguador.

El elemento final de control consta generalmente de dos partes:

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

Un actuador que convierte la señal del controlador en un comando para el

dispositivo manipulador.

Un mecanismo para ajustar la variable manipulada

En este capítulo se hará mención del elemento final de control más utilizado en el

ámbito industrial, la válvula de control, dejando como casos de estudio para el alumno las

características de los demás tipos de elementos.

5.2. VÁLVULAS DE CONTROL.

5.2.1. GENERALIDADES.

En los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en

el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que

modifica a su vez el valor de la variable de medida comportándose como un orificio de área

continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el

elemento primario, el transmisor y el controlador. En la figura 5.1 puede verse una válvula

de control típica.

Figura 5.1. Válvula de control representativa.

La válvula de control se compone básicamente de los siguientes elementos:

5.2.1.1. Servomotor.

Acciona el movimiento del vástago y con ello del obturador. Puede ser neumático,

eléctrico, hidráulico o digital (siendo los dos primeros los más utilizados).

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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.

Figura 5.2. Servomotor neumático.

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Servomotor eléctrico.

Se trata de 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.

Figura 5.3. Servomotor eléctrico.

5.2.1.2. Vástago.

Su función es unir al obturador con el servomotor. Dispone generalmente de un

índice que señala en una escala la posición de apertura o cierre de la válvula.

5.2.1.3. Tapa.

La tapa de la válvula de control tiene por objeto unir el cuerpo al servomotor. A su

vez desliza el vástago del obturador accionado por el motor.

Según las temperaturas de trabajo de los fluidos y el grado de estanquidad deseada

existen los siguientes tipos de tapas:

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Tapa normal (fig. 5.4a) adecuada para trabajar a temperaturas del fluido variables entre

0° y 220° C.

Tapa con columnas de extensión (fig. 5.4b). Las columnas son adecuadas cuando el

flujo está a temperaturas muy bajas.

Tapa con fuelle de estanqueidad (fig. 5.4c) para temperaturas de servicio entre 20 y

450° C.

Tapa con aletas de radiación (fig. 5.4d) circulares o verticales que pueden trabajar entre

20° a 450° C, recomendándose por encima de los 350° C, la válvula se monte invertida

para facilitar el enfriamiento de la empaquetadura.

Figura 5.4. Tipos de tapas.

5.2.1.4. Empaquetadura.

Caja de protección entre la tapa y el vástago que tiene por función impedir que el

fluido se escape a través de la tapa.

La caja de empaquetadura de la válvula consiste en unos anillos de estopada

comprimidos por medio de una tuerca (fig. 5.5 a) o bien mediante una brida de presión

regulable con dos tuercas (fig. 5.5 b). La empaquetadura puede ser apretada manualmente

de modo periódico o bien puede ser presionada elásticamente por un muelle apoyado

interiormente en la tapa (fig. 5.5).

Figura 5.5. Tipos de empaquetaduras.

La empaquetadura normal puede 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. Cuando el fluido y las condiciones de servicio no permiten el empleo aislado del

teflón se utiliza grafito en forma de filamento, laminado y cinta. El grafito sustituyo al

amianto que fue dejado de utilizar por razones de salud humana. El grafito tiene un

coeficiente de dilatación semejante al metal de vástago, de modo que el choque térmico no

es un problema. Su coeficiente de rozamiento es del orden de 7 a 10 veces mayor que el del

teflón, por lo que siempre que sea posible debe emplearse éste. No debe permitirse que se

inicie una fuga porque es difícil solucionarla después. El grafito en presencia de humedad

puede dar lugar a una severa corrosión galvánica del vástago, con lo que pueden

presentarse fugas cuando el vástago empieza a moverse. En los casos en que el fluido es tan

tóxico que debe impedirse su fuga a través de la estopada y por alguna razón no deben

emplearse los fuelles de estanqueidad, se utilizan empaquetaduras dobles (fig. 5.5 c) con

dos collarines de lubricación. Esta disposición permite la inyección de gas inerte. Incluso, si

partes pequeñas del fluido se fugan, pueden recuperarse por succión a través de dichos

collarines.

5.2.1.5. Cuerpo.

El cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin

pérdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la

erosión o corrosión producidas por el fluido.

5.2.1.6. Bridas.

Aquí 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 en las normas DIN y

ANSI.

Figura 5.6. Tipos de conexiones del cuerpo a la tubería.

5.2.1.7. Obturador.

Es quien realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar en su propio

eje o bien tener un movimiento rotativo.

Figura 5.7.

5.2.1.8. 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.

5.3. TIPOS DE VÁLVULAS.

Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el

movimiento del obturador.

Las válvulas de movimiento lineal, en las que el obturador se mueve en la dirección

de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación.

5.3.1. Válvula de globo.

Puede verse en las figuras 5.8 a, b y c siendo de simple asiento, de doble asiento y

de obturador equilibrado respectivamente. 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 precisa que

las fugas en posición de cierre sean mínimas. El cierre estanco se logran con obturadores

provistos de una arandela de teflón. En la válvula de doble asiento o de obturador

equilibrado la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del

obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en

válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En

posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.

(a)

5.3.2. Válvula en ángulo.

(b)(c)

Figura 5.8. Válvulas de globo.

Esta válvula presentada en la figura 5.9, permite obtener un flujo de caudal regular

sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión cuando ésta es

considerable por las características

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