LAS VLVULAS DE CONTROL

1.1 VLVULA DE CONTROLConocida como el elemento final de control mayormente utilizado en la industria de los fluidos, la vlvula de control es el instrumento ideal para manipular las variables de una lnea de proceso. Su tarea consiste en modificar el rea de unin asiento-obturador, con lo cual vara el caudal del fluido manipulado, lo que a su vez incide en el proceso y modifica la variable controlada, por ello es ideal para controlar, ya sea de forma automtica o manual, un fluido dentro de un proceso industrial.

Este elemento final de control es de suma importancia, tanto como el elemento primario, el transmisor o el controlador y contiene en el interior de su cuerpo el obturador y los asientos. Para conectar la vlvula a la tubera est provisto de rosca o bridas en donde se indican ciertos parmetros como el dimetro nominal de esta.

Figura 1: Vlvula de controlFuente: (EMERSON, 2013)

El obturador es quien realiza la funcin de paso del fluido al acercarse o alejarse del asiento y puede actuar en la direccin de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un vstago que atraviesa la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor.

Por efecto de un actuador, la vlvula de control se comporta como un orificio de rea continuamente variable. Cabe mencionar que estas vlvulas realizan la apertura de forma directa (normalmente abierta) e inversa (normalmente cerrada). En el primer caso, por ejemplo, la vlvula estara abierta a 3 psi (0.2 bar) y totalmente cerrada a 15 psi (1 bar); mientras que en el segundo estara cerrada a 3 psi y totalmente abierta a 15 psi.

1.1.1 Prdida de cargaEl flujo de un lquido en una tubera va acompaado de una prdida de energa, denominada habitualmente, prdida de carga. En tuberas horizontales, esta prdida se manifiesta como una disminucin de presin en el sentido de flujo, a la vez que est relacionada con otras variables dinmicas del fluido segn el tipo que sea este: laminar o turbulento. Existen dos tipos de perdida de carga:

Prdidas linealesSon debidas a las tensiones cortantes de origen viscoso que aparecen entre el fluido y las paredes de la tubera.

Prdidas singularesSon las producidas por cualquier obstculo colocado en la tubera que suponga una mayor o menor obstruccin al paso del flujo como: entradas y salidas de las tuberas, codos, vlvulas, entre otros.

1.1.2 Coeficiente de flujo CvPor definicin, el Cv es el caudal de agua a 60 F en gal/min que pasa a travs de la vlvula ensayada completamente abierta y provoca una prdida de carga de 1 psi. Cuando la vlvula recibe la seal procedente del controlador, absorbe una determinada perdida de carga, lo cual hace variar el valor de la variable manipulada, en este caso, un caudal. Para elegir el tamao de vlvula requerido se define un mximo Cvr (coeficiente de vlvula requerido). En la prctica, se elegir una vlvula cuyo Cv mximo real sea superior al Cvr.

En condiciones de control en rgimen estable o estacionario, el controlador enva una seal que corresponde a un determinado valor del Cv de la vlvula, esta seal hace que circule por la vlvula el caudal requerido para mantener el proceso en este estado estable. La capacidad de flujo de una vlvula se puede especificar mediante su coeficiente de flujo Cv. Los valores del Cv se expresan en tablas anglosajonas en galones por minuto, pero con los convenientes coeficientes, las formulas se convierten a unidades mtricas.

1.1.3 Caracterstica de caudal inherenteEl obturador de una vlvula, conforme se va desplazando, produce un rea de pasaje que posee una determinada relacin caracterstica entre la fraccin de carrera de la vlvula y el correspondiente caudal que escurre a travs de la misma. A esa relacin se le da el nombre de caracterstica de caudal de vlvula.

Por otro lado, se sabe tambin que el caudal que escurre a travs de una vlvula vara con la presin diferencial a travs de la misma, y, por lo tanto, tal variacin de presin diferencial debe afectar la caracterstica de caudal. En consecuencia, se definen dos tipos de caractersticas de caudal: inherente y efectiva.

Se denomina caracterstica de caudal inherente a la caracterstica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presin diferencial constante a travs de una vlvula. En otras palabras, se puede decir que se trata de la relacin entre el caudal a travs de la vlvula y la correspondiente seal del controlador, bajo presin diferencial constante, a travs de la vlvula. Se representa en forma de grafica considerando como abscisa la carrera del obturador y como ordenada el porcentaje de caudal mximo bajo una presin diferencial constante.

La diferencia de presiones debidas a las diferencias de alturas es constante por construccin, es decir, lo es mientras no varan los niveles ni geometras. La diferencia de presin en tuberas horizontales es debida a que, cuando un fluido pasa por una tubera restrictiva, pierde energa, esta prdida es traducida como una prdida de carga, lo que finalmente se puede expresar como una disminucin de la presin.

1.1.4 Caracterstica de caudal efectivaCabe mencionar que en la mayora de las vlvulas que trabajan en condiciones reales, la presin diferencial no se mantiene constante, esto debido a la apertura de la vlvula y otros factores, por lo que, la curva real que relaciona la carrera de la vlvula con el caudal difiere de la caracterstica de caudal inherente, denominando a esta nueva curva: caracterstica de caudal efectiva, es por ello que la caracterstica de caudal inherente es la terica, mientras que la instalada es la que se utiliza en la prctica

De lo anterior se desprende que si una vlvula se instala en diferentes procesos no presentar las mismas curvas caractersticas efectivas, es decir, la misma variacin de presin diferencial debido a que esto ltimo depende de la combinacin entre la resistencia de la tubera y las caractersticas de las bombas, propias de cada proceso en que sea instalada.

Los fabricantes de vlvulas pueden darle la forma a la curva caracterstica de una vlvula mediante el arreglo de la forma como cambia el rea del orificio de la vlvula con la posicin de la vlvula. Los tres tipos de vlvulas ms comnmente utilizadas son las denominadas de Abertura Rpida, Lineal e Isoporcentual.

1.1.5 Tipos en funcin de la curva caracterstica1.1.5.1 Vlvula de tipo Abertura RpidaLa vlvula de abertura rpida no es til para la regulacin de flujos porque la mayor parte de la variacin del coeficiente de la vlvula se realiza en el tercio inferior del desplazamiento de la vlvula. Se desarrolla muy poca variacin en el coeficiente de la vlvula en un tramo considerable del recorrido de la vlvula. Las vlvulas de abertura rpida son apropiadas para vlvulas de alivio y para sistemas de control de dos posiciones.

1.1.5.2 Vlvula de tipo LinealUna vlvula es de tipo lineal si la relacin entre el factor de capacidad y la posicin o abertura es lineal. La vlvula de caracterstica lineal produce un coeficiente proporcional a la posicin de la vlvula. Por ejemplo, a una abertura, del 50 % el flujo a travs de la vlvula es el 50 % de su flujo mximo. Las vlvulas de caractersticas lineales se utilizan en procesos lineales y en casos en los cuales la cada de presin a travs de la vlvula no cambia con la variacin en el flujo.

1.1.5.3 Vlvula de tipo Igual PorcentajeUna vlvula de igual porcentaje tiene la propiedad de que iguales incrementos en la abertura de la vlvula producen iguales aumentos relativos o en porcentajes en el coeficiente de la vlvula. Las curvas caractersticas ms importantes son las de apertura rpida, lineal e isoporcentual siendo estas dos ltimas las ms importantes.

PR de BolaFIL de BolaR de BolaMariposa% de Caudal Mximo% de Recorrido

Grfica 1: Curvas de flujo caractersticas de una vlvula de controlFuente: (TeeJet Technologies, 2013)

1.2 PARTES DE UNA VLVULA DE CONTROL

1.2.1 ServomotorLa funcin del servomotor de diafragma consiste en convertir un tipo de energa (servomotor neumtico, hidrulico, elctrico o electrnico), en trabajo mecnico generando un movimiento lineal. Los ms utilizados son:

1.2.1.1 Servomotor neumticoConsiste en un diafragma o pistn con resorte que es accionado normalmente por una seal neumtica de 0.2-1 bar (3-15 psi), el cual acta directamente sobre un vstago que posiciona el obturador con relacin al asiento. Contiene un resorte, el cual, al aplicar una determinada tensin sobre el diafragma, este comprime hasta el punto en que se equilibren las dos fuerzas, tanto la del resorte como de la presin aplicada.

El servomotor puede ser de accin directa e inversa. Se considera de accin directa cuando la vlvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma o se abre cuando se quita el aire y la nica fuerza presente es la del resorte. Se dice que es de accin inversa cuando abre la vlvula al aplicar aire sobre el diafragma o cierra sin aire en el mismo.Entrada de aire

Entrada de aireMovimiento del diafragma

Figura 2: Vlvulas de accin directa e inversaFuente: (Villajulca, 2013)

Desde el punto de vista de la seguridad, si hay un fallo de aire en la lnea la vlvula pasa naturalmente a una de sus posiciones extremas, que debe ser la ms segura para el proceso.

En las vlvulas de accin inversa en las que el resorte del servomotor neumtico o elctrico asienta el obturador en el asiento, cerrando as la vlvula, es necesario consultar las tablas del fabricante para comprobar la presin diferencial mxima con la que la vlvula pueda cerrar.

1.2.1.2 Servomotor elctricoSe trata de un motor elctrico acoplado al vstago de la vlvula a travs 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 vlvula de la posicin cerrada a la abierta o viceversa. Este tipo de actuador es mayormente utilizado en la industria de control automtico debido a sus facilidades de integracin en un sistema automatizado.

Figura 3: Servomotor elctricoFuente: (SAUTER, 2013)

1.2.2 VstagoDispuesto de forma analgica a una columna vertebral, el vstago de una vlvula de control es el elemento conector cuya funcin es unir el servomotor con el obturador, siendo este ltimo, funcin del primero. Esta dispuesto de un ndice que indica en una regla o escala, la posicin de apertura o cierre de la vlvula.

1.2.3 TapaLa tapa de la vlvula de control tiene como finalidad unir el cuerpo al servomotor. A su vez desliza el vstago del obturador accionado por el motor. Para que el fluido no se escape a travs de la tapa es necesario disponer una caja entre la empaquetadura de la tapa y el vstago.

1.2.4 EmpaquetaduraEs la caja de proteccin entre la tapa y el vstago que tiene por funcin impedir que el fluido se escape a travs de la tapa. Por esta razn es uno de los elementos importantes a los que se les debe dar un buen mantenimiento para promover una buena hermeticidad. Existen diversos tipos de empaquetaduras segn sean las presiones y temperaturas de trabajo y el tipo de fluido a controlar.

La empaquetadura normal puede ser de aros de tefln, de seccin en V, comprimidos con un resorte con la ventaja de que el tefln es autolubricante y no necesita engrase. Cuando el fluido y las condiciones de servicio no permiten el empleo aislado del tefln se utiliza grafito en forma de filamento, laminado y cinta. El mantenimiento normal de las vlvulas con empaquetadura estndar consiste en inspecciones cuatrimestrales y en un programa activo de mantenimiento de las vlvulas que controlen fluidos orgnicos voltiles.

Figura 6: Empaquetadura de FlexitallicFuente: (Direct Industry, 2013)

1.2.5 BridasLa brida es el elemento que conecta el cuerpo de la vlvula con la tubera. Estn normalizadas de acuerdo con el tipo de presin y el tamao de la tubera en las normas DIN y ANSI y se clasifican segn su clase de presin, es decir, la relacin a partir de la cual se obtiene una curva segn la resistencia al efecto conjunto presin-temperatura. Las normas ASME B16.47 Serie A (MSS SP-44) y Serie B (API 605) establecen las medidas de la bridas para el libraje de cada una desde 75#.

As mismo la norma ASME/ANSI B16.5, provee las dimensiones y tolerancias para bridas en tamaos de tubera de 1/2" a 24" y en clases que van de 150 a travs de 2500. La mala conexin de una brida, o el mal apriete de sus tuercas de sujecin puede provocar el desgaste tanto de la brida como de estas piezas, as como la fuga del lquido de prueba, es por ello que su instalacin requiere de inspeccin. Al realizar pruebas hidrostticas, el personal se puede confiar y conectar solamente la mitad de sus tuercas de sujecin, pero as solo consigue forzar estas uniones y reducir la vida til de estas piezas.

1.2.6 CuerpoEl cuerpo de la vlvula debe resistir la temperatura y la presin del fluido sin perdidas, tener un tamao adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosin o corrosin producidas por el fluido.

Figura 8: Cuerpo de vlvula OCV Modelo 765Fuente: (OCV, 2013)

1.2.7 ObturadorEs el elemento que tiene la mitad de la tarea principal y final de controlar el rea de paso del fluido a controlar. Esto se logra al transformar los desplazamientos del vstago en una variacin de caudal. El obturador puede actuar de forma lineal, es decir, sobre su propio eje, o rotativa.

1.2.8 AsientoJunto con el obturador, controlan el caudal gracias al orificio de paso variable que forma al variar su posicin relativa, y que adems tiene el cometido de cerrar el paso del fluido. Sobre este descansa el obturador al estar totalmente cerrada la vlvula.

Figura 10: Asiento de vlvula de globoFuente: (Villajulca, Instrumentacin y Control.net, 2013)

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