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Distintos elementos finales de control.Válvulas reguladoras, descripcióngeneral, tipos y características.Accionamiento neumático, retardos.Dimensionamiento de válvulas: flujocrítico, vaporización y cavitación,efecto de la viscosidad. Selección deválvulas de control. Posicionador
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar unaseñal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es estavariable manipulada la que incide en el proceso causando cambios de la variablecontrolada. Lo más común en procesos es que la manipulación sea un caudal.
CONTROLADOR
ELEMENTO
FINAL DE
CONTROL
PROCESO
PROCESO
(Pertubación)
ELEMENTO DE
MEDICIÓN Y
TRANSMISIÓN
Variable
Manipulada
Parturbación
Variable
Controlada
Señal Transmitida
Señal de
control
Valor
Deseado
(c)
(d)
(m)(u)
(y)
(Vd)
Flujo de
entrada
Flujo de salida
ELEMENTO
FINAL DE
CONTROL
ELEMENTO DE
MEDICIÓN - TRANMISIÓN
CONTROLADOR
DE PROCESO
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
Modificar la energíaentregada al fluido (bombas yventiladores de velocidadvariable)
Modificar la resistencia alpaso del fluido (válvulas,registros en ductos de gases)
Flujo
Variar la resistencia
Flujo
Variar la energía entregada
Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen primariamente dos mecanismos:
De los diversos elementos finales decontrol, el de más amplia difusión es laválvula automática con actuadoresneumáticos o eléctricos. Pero tambiénestán los siguientes tipos:
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
Bomba con motor de velocidadvariable
Bombas dosificadoras
Registros para conductos decirculación de aire o gases
Ventiladores con accionamientode velocidad variable
Contactos para resistenciaseléctricas
Válvulas rotatorias para sólidos
Válvulas de cuchilla para sólidos
Esparcidores de paletas parasólidos
Cinta transportadora de sólidos
BOMBAS Y VENTILADORES DE VELOCIDAD VARIABLE
Existen dispositivos quepermiten variar la velocidad degiro de motores. Estosvariadores pueden responder aseñales de controlestandarizadas.
De esta forma, variando lavelocidad, se puede cambiar elcaudal impulsado por bombas(líquidos) y ventiladores (gasesa bajas presiones).
Motor
Motor
Ventilador
Bomba
Variador de velocidad
BOMBAS DE VELOCIDAD VARIABLE
BOMBAS DOSIFICADORAS
Un método muy común para controlar directamentelos pequeños caudales de fluidos es utilizar undispositivo conocido como bomba dosificadora.Consiste en un mecanismo de bomba, motor ycomponentes electrónicos en una misma unidad.
Existen bombas cuyo caudal se fija manualmente yotras que admiten señales estandarizadas paravariación continua.
Las bombas dosificadoras se utilizan comúnmente enlos procesos de tratamiento de agua para inyectarpequeñas cantidades de coagulantes, desinfectantes,líquidos para la neutralización del pH, productosquímicos para el control de la corrosión, etc.
BOMBAS DOSIFICADORAS
Succión
Ciclo Completo
Descarga
Caudal promedio
Pico
tiempoVálvula de descarga
Válvula de succión Fluido
Empaquetadura
Son bombas de desplazamiento
positivo (alternativas).
ELEMENTOS PARA MANEJO DE FLUJO DE SÓLIDOS
Rotación
Paletas rotatorias
Cinta de alimentación
La velocidad de rotación de laspaletas fijan el caudal. La velocidadde la cinta establece la altura delcolchón.
ELEMENTOS PARA MANEJO DE FLUJO DE SÓLIDOS
Alimentador de sóli-dos transportadospor tornillos.
En este caso, lavelocidad de giro deltornillo establece elcaudal de sólidotransportado.
Tolva
Eje acoplado a motor de velodicdvariable
CajaSalida de los
sólidos
Tornillo
ELEMENTOS PARA MANEJO DE FLUJO DE SÓLIDOS
Hay muchas aplicaciones en las que se combina sistemas de control de la velocidad de la cinta que transporta el sólido y la altura del colchón
Motor de velocidad fija
VÁLVULAS PARA MANEJO DE PASTAS PESADAS Y
SÓLIDOS A GRANEL(de cuchillas)
Válvulas usadas fundamentalmente para bloqueo, sin caudales de fuga. Manejobi-direccional de flujo.
DISPOSITIVOS PARA MANIPULACIÓN DE CAUDALES DE GASES A PRESIONES BAJAS Y MEDIAS
Fracción de máxima rotación
Frac
ció
nd
elm
áxim
oca
ud
al
La característica de flujo es similar a las delas válvulas mariposa
Registro de persianasen paralelo (ductosrectangulares)
DISPOSITIVOS PARA MANIPULACIÓN DE CAUDALES DE GASES A PRESIONES BAJAS Y MEDIAS
Registro de sección circular tipo “iris”
Registro de persianas radiales (ductoscirculares). Muy usados para manipular el aireen el tramo de inducción de ventiladores ysopladores.
Orificio ajustable
Actuador
R
i
RESISTENCIAS ELÉCTRICASEste es uno de los pocos casos en los que la manipulación de la energía no se hacepor medio del cambio de caudales. Existen técnicas especiales como la modulaciónde pulsos en el tiempo, implementadas en controladores de temperatura, quepermiten variar la corriente sobre resistencias calefactoras, modificando así ladisipación de energía.
LA VÁLVULA DE CONTROL
La válvula de control es básicamente unorificio variable por efecto de unactuador. Constituye el elemento finalde control en más del 90 % de lasaplicaciones industriales.
Esta válvula utiliza una señal externaque puede ser neumática o eléctrica yposteriormente transformada en unade tipo neumática que incide elcabezal.
LA VÁLVULA DE CONTROL
Estos elementos los podemos considerar constituidos por dospartes:
Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en undesplazamiento (lineal o rotacional) merced a un cambio en lapresión ejercida sobre el diafragma.
Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que haceque la sección de pasaje del fluido cambie y con ésta el caudal.
Con un diagrama enbloques se puederepresentar a la válvulacomo un sistema enserie:
ACTUADOR CUERPO
VÁLVULA
Señal de control
Caudaldespla-
zamiento
Fu x
LA VÁLVULA DE CONTROL
El cuerpo carece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica de flujo.
Desde el punto de vista estático el
actuador es moderadamente
lineal y la dinámica más significativa es la de
llenado del cabezal con una constante de tiempo
del orden de los segundos.
𝐺𝐴 𝑠 =𝐾𝐴
𝜏𝑉𝑠 + 1
𝐺𝐶𝑈 𝑠 = 𝐾𝐶𝑈
𝑮𝑽 𝒔 =𝑲𝑨𝑲𝑪𝑼
𝝉𝑽𝒔 + 𝟏=
𝑲𝑽
𝝉𝑽𝒔 + 𝟏
ACTUADOR CUERPO
VÁLVULA
Señal de control
Caudaldespla-
zamiento
Fu x
ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULAS DE CONTROL
I. Cuerpo e internos: indicando el tipo, material y serie que se fijade acuerdo al servicio que debe prestar.
II. Dimensionamiento: significa determinar el diámetro, que estárelacionado con la capacidad.
III. Característica de Flujo: en algunos casos, según el tipo deválvula, se puede especificar la característica de flujo
IV. Actuador: una vez conocidos los detalles del cuerpo se debeelegir el tipo de motor (neumático de cabezal o pistón, eléctrico,etc.), la acción ante falla y el tamaño.
V. Accesorios: corresponde a elementos adicionales comotransductores I/P o V/P, volante para accionamiento manual,posicionador, etc.
ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULAS DE CONTROL
I. Cuerpo e internos: indicando el tipo, material y serie que se fijade acuerdo al servicio que debe prestar.
II. Dimensionamiento: significa determinar el diámetro, que estárelacionado con la capacidad.
III. Característica de Flujo: en algunos casos, según el tipo deválvula, se puede especificar la característica de flujo
IV. Actuador: una vez conocidos los detalles del cuerpo se debeelegir el tipo de motor (neumático de cabezal o pistón, eléctrico,etc.), la acción ante falla y el tamaño.
V. Accesorios: corresponde a elementos adicionales comotransductores I/P o V/P, volante para accionamiento manual,posicionador, etc.
VÁLVULAS GLOBO
Una de las válvulas más difundidas. El movimiento del vástago lineal.Existen muchas variantes para atender diversidad de aplicaciones
Fuerza del
actuador
Fuerza del
actuador
Sello
Bonete
Cuerpo
Obturador
P2P1
Válvula Globo con un solo asiento y guiada en un extremo
Válvula Globo con un solo asiento y guiada en los dos extremos
P2P1
VÁLVULAS GLOBO
VÁLVULA GLOBO COMPENSADA
Fuerza del
actuador
Obturador superior
Asiento superior
P2P1
Las válvulas glo-bo con dobleasiento sirvenpara servicios enlos que la dife-rencia de presiónes muy grande ypara grandescaudales.
De esta forma, selogra que elactuador no debahacer esfuerzosexcesivos.
Obturador inferiorAsiento inferior
VÁLVULA GLOBO - OBTURADORES
LinealIgual
porcentaje Apertura
rápida
Una flexibilidad de estas válvulases que pueden cambiarse losobturadores y así obtenerdistintas características de flujo.
% de apertura
Cv
VÁLVULA GLOBO GUIADAS EN CAJA
(JAULA)Fuerza
del actuador
Caja guía
P2P1
Son válvulas globoque pueden cam-biar las caracterís-ticas de flujo ysirven para servi-cios especiales (anticavitación, flashing,vibración, etc.)
VÁLVULAS GLOBO DE TRES VÍAS
Las válvulas globo de tresvías, permiten mezclar doscorriente o dividir unacorriente en dos, per-mitiendo estrategias decontrol más elaboradas
Mezcladora Divisora
VÁLVULAS GLOBO EN ÁNGULO
Manejan el flujo sinturbulencias excesivas. Adecu-ada para disminuir la erosiónpor las características delfluido o por la excesiva presióndiferencial.
Se usan con fluidos quevaporizan o que contienensólidos en suspensión.
VÁLVULAS GLOBO DE CUERPO PARTIDO
Modificación de la válvulade globo de simple asientoteniendo. El cuerpo estápartido en dos partes,entre las que el asientoqueda presionado.
La forma constructivapermite una fácilsustitución del asiento yademás no deja espaciosmuertos en el cuerpo.
Se emplea principalmentepara fluidos viscosos y en laindustria alimentaria.
VÁLVULAS GLOBO
VENTAJAS
Fuerte cierre
Variedad de características de flujo
Rápida velocidad de respuesta
Gran rangeabilidad en control
Soportan grandes caídas de presión
Disponible en pequeños tamaños
Internos para servicio severo
Distintas clases de construcción
DESVENTAJAS
Limitada capacidad de flujo (Cv)en función a su tamaño (y dediámetros)
Elevado peso comparado conotros tipos constructivos
Alto costo comparado con otrostipos
VÁLVULAS PINCH (de compresión)
Funcionan pinzando un elemento flexible, porejemplo, un tubo de goma. Se caracteriza por queproporciona un óptimo cierre. Se usan para elmanejo de fluidos agresivos, viscosos o consólidos en suspensión.
ABIERTA
CERRADA
Aire a presión
VÁLVULAS PINCH (de compresión)
Según la forma constructiva, seobtienen diversas característicasde flujo, lo que permite elegir lacaracterística más apropiada a laaplicación.
% de carrera
%d
eC
vmax
VÁLVULAS SAUNDERS
El obturador consiste en una membrana flexible que através de un vástago se desplaza contra un resalte delcuerpo, cerrando el paso del fluido. El cuerpo puederevestirse fácilmente de goma o plástico para trabajarcon fluidos agresivos.
El accionamiento debedesarrollar alta potenciapara cierre total. Se utilizaprincipalmente en proce-sos químicos difíciles, enparticular en el manejo defluidos agresivos o quecontengan sólidos ensuspensión.
VÁLVULAS SAUNDERS
Una seria limitación de este modelode válvula es su característicainherente. Los modelos máscomunes normalmente son deapertura rápida.
% de carrera
%d
eC
vmax
Su rangeabilidades baja, en tornode 4:1.
VÁLVULAS ESFÉRICAS
La apertura y cierre se logra conmovimiento rotacional del vástago.
El cuerpo posee una cavidad internaesférica que alberga un obturador enforma de esfera o bolilla. El cierrehermético se logra mediante un aro deresina anti-adherente incorporado alcuerpo contra el cual asienta la bolacuando la válvula esta cerrada.
Una de las aplicaciones más difundidas deeste tipo de válvula es la manipulación defluidos altamente viscosos o con fibrasen suspensión.
VÁLVULAS ESFÉRICAS
Los obturadores se fabrican con cortesadecuados para fijar la característica deflujo de la válvula.
Corte en “V”
Corte en “U”
Corte parabólico
Jaula
Convencional
%d
eC
vmax
% de rotación
VÁLVULAS ESFÉRICAS
VENTAJAS
Fuerte cierre
La más alta capacidad de flujo (Cv)
La más amplia rangeabilidad
Excelente para productos concontenido de fibras o muy viscosos
Geometría adecuada para procesoserosivos
Versatilidad en cuanto a caracterís-ticas de flujo
DESVENTAJAS
Requieren esfuerzo mecánicoconsiderable para para accionar.
Mas pesadas y costosas que lasválvulas de globo
Alto costo comparado con otrostipos
VÁLVULAS DE OBTURADOR EXCENTRICO ROTATIVO
Consiste en un obturador de superficieesférica que tiene un movimientoexcéntrico rotativo. El torque necesariopara el movimiento relativamentemoderado.
La válvula puede tener un cierre estancomediante anillos de resina anti-adherentedispuestos en el asiento, Se caracterizapor su gran capacidad.
VÁLVULAS TAPÓN (plug)
Similares a las válvulas esféricas, perocon obturador cilíndrico o troncocónico.
Se utilizan mucho en la industriapetrolera y en servicios consuspensiones y pastas en las industriasquímicas y de papel.
Para lograr cierre hermético se empleaanillos de resina anti-adherenteincorporados al cuerpo contra los quese apoya el o obturador.
VÁLVULAS TAPÓN (plug)
Los cortes del obturador se fabrican conel objeto de fijar la característica de flujode la válvula. Lineal
modificada
%d
eC
vmax
% de rotación
Seccionada en “V”
Parabólicamodificada
Igual porcentaje
Lineal Modificada
Parabólica Modificada
Igual porcentaje
VÁLVULAS MARIPOSA
Las válvulas de mariposa constan de undisco que gira perpendicular a latrayectoria del flujo de fluido. Cuando esparalelo al eje de flujo, el disco presentaun mínimo de obstrucción; cuando esperpendicular al eje, el disco bloqueacompletamente cualquier flujo. El cuerpoesta formado por un anillo cilíndrico delmismo diámetro que la cañería.
Las válvulas mariposa se emplean para elcontrol de grandes caudales de fluido,sobre todo, cuando las cañerías tienengran diámetro.Cuerpo de
la válvula
Disco (obturador)
VÁLVULAS MARIPOSALa característica de flujo está afectada porla localización del eje del plato (centradoo excéntrico) y por el tamaño relativo deleje comparado con la válvula.
Para la manipulación, usualmente serestringe la apertura entre 0° y 60°,
Disco convencional
Disco combado
Disco cola de pez
%d
eC
vmax
% de rotación (de 90°)
Típica propósito general
HP 24”
HP 2”
VÁLVULAS MARIPOSA
El tamaño relativo del eje comparado con el discoinfluye en la característica de flujo para aperturasmayores de 60°.
Válvula con disco fishtail
Válvula con disco excéntrico
Grados de rotación
Torq
ue
Válvula mariposa
convencional
Válvula mariposa con
disco combado
Válvula mariposa con disco estriado
VÁLVULAS MARIPOSA
El torneado del discotambién influye en elesfuerzo que deberealizar para abrir ocerrar la válvula.
Válvula con disco estriado
Válvula con disco combado
VENTAJAS
Buen cierre
Alta capacidad de flujo vs. tamaño
Livianas comparadas con válvulas deglobo del mismo tamaño
Menor costo que las válvulas deglobo
Disco excéntrico para prevención dedaño en el asiento
Disponibles para grandes diámetros
DESVENTAJAS
No hay disponibilidad paratamaños menores a 2 pulgadas
Presión de vena contacta menoresque las válvulas de globo
VÁLVULAS MARIPOSA
GUÍA PARA LA SELECCIÓN DEL TIPO DE VÁLVULA
El servicio que debe prestar la válvula de control determina el tipo. Entre loselementos a tener en cuenta figuran:
Densidad, viscosidad, temperaturas y presiones del fluido.
Tipo de flujo
Si el fluido es abrasivo, corrosivo, si presenta solidos o fibras en suspensión.
Capacidad para manejar los caudales de operación.
Caudales de fuga admisibles.
En manuales de instrumentación y catálogosde fabricantes se brinda informacióncomparativa que permite seleccionar el tipode válvula más adecuada para una dadaaplicación.
GUÍA PARA LA SELECCIÓN
DEL TIPO DE VÁLVULA
Bela G. Liptak (Editor), InstrumentEngineers' Handbook, vol. 2:Process Control and Optimization,4°Ed., CRC Press (2005)
GUÍA PARA LA SELECCIÓN
DEL TIPO DE VÁLVULA
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