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:





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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

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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 del fluido o por la excesiva presión diferencial. El

diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan (flashing), para

trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en

suspensión.

Figuro 5.9. Válvula en ángulo.

5.3.3. Válvula de tres vías.

Este tipo de válvula se emplea generalmente para mezclar fluidos –válvulas

mezcladoras (fig. 5.10 a)—o bien para derivar de un flujo de entrada de dos de salida –

válvulas diversoras (fig. 5.10 b). Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el

control de temperatura de intercambiadores de calor.

(a)(b)

Figura 5.10. Válvulas de tres vías.

5.3.4. Válvula de jaula.

Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados

en las características de caudal deseadas en la válvula (fig. 5.11). Se caracterizan por el

fácil desmontaje del obturador y porque éste puede incorporar orificios que permiten

eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial

favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo, este tipo de obturador

equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien 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.

Figura 5.11. Válvula de jaula.

5.3.5. 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 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 (fig. 5.12).

Figura 5.12. Válvula de compuerta.

5.3.6. Válvula en Y.

En la fig. 5.13 puede verse su forma. 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.

Figura 5.13. Válvula en Y.

5.3.7. Válvula de cuerpo partido.

Esta válvula (fig. 5.14) es una modificación de la válvula de globo de simple asiento

teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. Esta

disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin

espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la

industria alimentaria.

Figura 5.14. Válvula de cuerpo de partido.

5.3.8. Válvula Saunders.

En la válvula Saunders (fig. 5.15), 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 porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de la goma o

de plástico para trabajar con fluidos agresivos.

Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente.

Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de

fluidos negros o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión.

Figura 5.15. Válvula Saunders.

5.3.9. Válvula de compresión.

Esta válvula funciona mediante el pinzamiento de dos o más elementos flexibles,

por ejemplo, un tubo de goma. Igual que las válvulas de diafragma se caracterizan porque

proporcionan un óptimo control en posición de cierre parcial y se aplican

fundamentalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo

partículas sólidas en suspensión (ver figura 5.16).

Las válvulas en las que el obturador tiene un movimiento circular se clasifican como

se detalla a continuación.

Figura 5.16. Válvula de compresión.

Las válvulas de movimiento circular se clasifican de la siguiente forma:

5.3.10. 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 uno de los dos brazos flexibles (fig. 5.17).

El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por el vástago de un

servomotor. El par de éste es reducido gracias al movimiento excéntrico de la cara esférica

del obturador.

La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el

asiento y se caracteriza por su gran cantidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa

y a las de bola y por su elevada pérdida de carga admisible.

Figura 5.17. Válvula de obturador excéntrico rotativo.

5.3.11. Válvula de obturador cilíndrico excéntrico.

Esta válvula (fig. 5.18) tiene un obturador cilíndrico excéntrico que asienta contra

un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o teflón

en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. Es adecuada para fluidos corrosivos y

líquidos viscosos o conteniendo sólidos en suspensión.

Figura 5.18. Válvula de obturador cilíndrico excéntrico.

5.3.12. Válvula de mariposa.

El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente

un disco circular (fig. 5.19). La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de

goma encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y

ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta (en control todo-nada se

consideran 90° y en control continuo 60°, a partir de la posición de cierre ya que la última

parte del giro es bastante inestable), siempre que la presión diferencial permanezca

constante. En la selección de la válvula es importante considerar las presiones diferenciales

correspondientes a las posiciones de completa apertura y cierre; se necesita una fuerza

grande del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada.

Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluidos

a baja presión.

Figura 5.19. Válvula de mariposa.

5.3.13. Válvula de bola.

El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador

en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre) (fig. 5.20a). La bola tiene un corte

adecuado (usualmente en V) que fija la cueva característica de la válvula, y gira

transversalmente accionada por un servomotor exterior. El cierre estanco se logra con un

aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula está

cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño a 75

% del tamaño de la tubería. La válvula de bola se emplea principalmente en el control de

caudal de fluidos negro, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspención.

Una válvula de bola típica es la válvula de macho (fig. 5.20b) que consiste en un

macho de forma cilíndrica o troncocónica con un orificio transversal igual al diámetro

interior de la tubería. El macho ajusta en el cuerpo de la válvula y tiene un movimiento de

giro de 90°. Se utiliza generalmente en el control manual todo-nada de líquidos o gases y en

regulación de caudal.

(a)(b)

Figura 5.20. Válvula de bola.

5.3.14. Válvulas de flujo axial.

Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado neumáticamente

que mueve un pistón, el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra el obturador

formado por un material elastómero. De este modo, el obturador se expande para cerrar el

flujo anular del fluido. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es especialmente

silencioso. Otra variedad de la válvula de flujo axial es la válvula de manguito, que es

accionada por compresión exterior del manguito a través del un fluido auxiliar a una

presión superior a la del propio fluido. Se utiliza también para gases (ver fig. 5.21).

Figura 5.21. Válvulas de flujo axial.

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