Valvulas de control
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1 VÁLVULAS DE CONTROL, COMPONENTES Y FUNCIÒN VÁLVULAS DE CONTROL, COMPONENTES Y FUNCIÒN
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VÁLVULAS DE CONTROL, COMPONENTES Y FUNCIÒNVÁLVULAS DE CONTROL, COMPONENTES Y FUNCIÒN
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LA VÁLVULA DE CONTROLLA 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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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ACTUADOR CUERPOX
DESPLAZAMIENTO U
SEÑAL DE CONTROL
F
CAUDAL
VÁLVULA
Con un diagrama a bloques se puede representar a la válvula como un sistema en serie:
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ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULASESPECIFICACIÓN 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.
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CLASIFICACIÓN DE VÁLVULASCLASIFICACIÓN DE VÁLVULAS
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VÁLVULA DE CONTROL
**MOVIMIENTOLINEAL
**MOVIMIENTOROTATORIO
*GLOBO
*DIAFRAGMA
*PELLIZCO
*COMPUERTA
*EXCÉNTRICAS (ECCENTRIC PLUG)
*MARIPOSA
*BOLA
*GLOBO
*ÁNGULO
*TRES VÍAS
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CARACTERÍSTICASCARACTERÍSTICAS
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
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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…
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VÁLVULA GLOBO
VÁLVULA GLOBO ANGULAR
VÁLVULA GLOBO DE TRES VÍAS
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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.
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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.
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VÁLVULA SAUNDERSVÁLVULA 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
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VÁLVULA MARIPOSAVÁLVULA 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.
1919
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.
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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
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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.
..
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**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
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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:
VÁLVULA DE CONTROL POSICIÓN FALLO-SEGURO (FAIL- SAFE)
2424
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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B. ACTUADORES ROTATORIOS MUELLE/DIAFRAGMA. .
Usados con válvulas de control rotatorias (mariposa, tapón excéntrico…). Para regresar al tipo
de modo de fallo, 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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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
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PISTÓN NEUMÁTICO
Ventajas Desventajas
Alta capacidad de torqueEl Fail-Safe requiere accesorios o adición de
muelles
Compacta Posicionador requerido para su manejo
Ligeras Costo elevado
Adaptable para altas temperaturas ambientales Requiere alto suministro de presión
Velocidad
Dureza en el actuador (reforzado)
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MOTOR ELÉCTRICO
Ventajas Desventajas
Compacta Costo elevado
Muy reforzadas Carecen de acción de Fail-Safe
Gran capacidad de salida Limitadas a ciclo de servicio
Baja velocidad
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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
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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..
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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.
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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 posicionadores con by-
pass.
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Los posicionadores de acción inversa son usados algunas veces en las válvulas
de control, pero su apariencia es rara.
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Los controladores pueden ser instalados 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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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
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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.
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La mayoría de las aplicaciones de control ocupan las siguientes 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 aproximadamente 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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CARACTERÍSTICAS DE FLUJO EFECTIVASCARACTERÍSTICAS 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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4949
5050
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.
máxPv
PvaperturamenorválvulaPv
abiertantecompletameválvulaPv
min
máxPvPLPvPT
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5252
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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”
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DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE CONTROLDIMENSIONAMIENTO 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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5656
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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.
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PRESIÓN vs METALES PARA METALES SELECCIONADOSPRESIÓN vs METALES PARA METALES SELECCIONADOS
CF8M ACERO INOX.
WCB ACERO AL CARBÓN
CW-12MW HASTELLOY C
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F1 - COEFICIENTE DE RECUPERACIÓN DE FLUJOF1 - COEFICIENTE DE RECUPERACIÓN DE FLUJO
F1 – Es una dimensión menos cuantificable (medida cuando la válvula no está
en choque)
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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.
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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.
