ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Contenido

1. Simbología

2. Tipos de Válvulas

3. Cluster

4. Normatividad Industrial

5. Partes de una Válvula: Cuerpo, Tapa, Empaquetadura, Obturador / Asiento.

6. Cálculos de parámetros de la válvulas

7. Actuadores y posicionador

8. Controlador

9. Ruido en válvulas

10.Cavitación

Símbolos para elementos finales de control

Válvula globo

Válvulas de globo Obturadores de movimiento lineal

Asiento simple Asiento doble Obturador equilibrado

Válvula en ángulo

Las válvulas de asiento simple se emplean para fluidos en baja presión.

Las válvulas de asiento doble o de obturador equilibrado se emplean en válvulas degran tamaño y alta presión diferencial

Válvulas de ángulo

Permite un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosión.

El diseño de esta válvula es idónea para trabajar con: fluidos que vaporizan, grandes presiones diferenciales y fluidos que contienen sólidos en suspensión.

Válvula de tres vías mezcladora

Obturadores de movimiento lineal

Válvula de tres vías diversora

Válvula de jaula

Válvula de compuerta

Válvulas de tres vías

Válvulas de jaula

Válvulas de compuerta

Se emplean generalmente para mezclar fluidos o bien para derivar de un flujo deentrada dos de salida.

Es una válvula muy resistente a las vibraciones y aldesgaste, se emplean en válvulas de gran tamaño y fluidos de alta presión diferencial.

Se utiliza en control de todo-nada, ya que en posiciones Intermedias tiende a bloquearse, se caracteriza por su baja pérdida de carga.

Obturadores de movimiento lineal

Válvula en Y

Válvula de cuerpo compartido

Válvula Sauders

Válvula de compresión

Válvulas en Y

Válvulas de cuerpo compartido

Válvulas de Saunders

Válvulas de compresión

Es adecuada como válvula de cierre y de control, se caracteriza por su baja perdida de carga y gran capacidadde caudal, además posee un autodrenaje con un ciertoángulo.

Se emplea para fluidos viscosos y en la industria de alimentos, es una modificación de la válvula de asiento simple, con el cuerpo partido en dos partes entre las cuales presiona el asiento.

El obturador es una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo. El cuerpo de la válvula puede revestirse con gomao plástico para fluidos agresivos.

Funciona mediante la opresión de dos o mas elementosflexibles, se aplican en el manejo de fluidos corrosivos, viscosos o con sólidos en suspensión.

Obturadores de movimiento circular

Válvula de bola

Válvula de mariposa

Válvula de obturador cilíndrico excéntrico

Válvula de obturador excéntrico rotativo

Válvulas de obturador excéntrico rotativo

Válvulas de obturador cilíndrico excéntrico

Válvulas de mariposa

Válvulas de bola

Consiste de un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento rotativo excéntrico y que esta unido al eje de giropor uno o dos brazos flexibles. Se caracteriza por su gran capacidad de caudal y por su elevada pérdida de carga.

Es una válvula de bajo costo y tiene una capacidad relativamentealta, se puede cubrir con un revestimiento de teflón o goma paramanejar fluidos corrosivos y líquidos viscosos.

Se emplean para control de grandes caudales de fluidos a baja presión.Se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en una presión elevada.

Se emplea en fluidos negros o bien en fluidos con gran Porcentaje de sólidos en suspensión.

Válvula de macho

Obturadores de movimiento circular

Válvula de orificio ajustable

Válvula de flujo axial

Válvulas de macho

Válvulas de orificio ajustable

Válvulas de flujo axial

Consiste en un cilindro con un orificio transversal igual al diámetro interior de la tubería. Se utiliza generalmente en elcontrol manual todo o nada de líquidos o gases y en la regulación de caudal.

Consiste en un cilindro que está perforado con dos orificios, uno de entrada y otro de salida y que gira mediante una palanca exterior accionada manualmente o por un servomotor. El giro del obturador tapa parcial o totalmente las entradas y salidas, controlando el caudal. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos en general.

Consiste en un diafragma accionado neumáticamente que mueve un pistón, el cual comprime un fluido hidraúlico contra unobturador formado de material elastómero. El obturador se Expande para cerrar el flujo. Esta válvulas son silenciosas y seemplean en gases

En los procesos industriales es común controlar el flujo de varias tuberías a travésde un nodo o matriz de válvulas de 4 o 5 vías.Las matrices de válvulas se encuentran comúnmente en las industrias de procesamiento de bebidas, cerca de las etapas de almacenamiento en tanques y cisternas. Cabe señalar que en este tipo de industrias es obligatorio el uso de acero inoxidable en todo el proceso.

Cluster

Normatividad Industrial

NOM NMX

Fabricantes

Identifique cada una de las siguientes válvulas

Evaluación

Cuerpo de la válvula

Material Presión nominal lb

Bronce 150 300

Hierro 125fundido 250

Acero al carbón: C 0.3%, Mn 1%, P 0.05%, Si 0.6 %, S 0.06%

Acero Inoxidable 18/8: C 0.08%, Mn 1.5%, P 0.04%, Si 2 %, S 0.04%, Cr 18-21, Ni 8-11

En aquellos procesos donde el fluido es un agente químico corrosivo para el metal, se emplean cuerpos para válvulas con materiales termoplásticos como: Cloruro Polivinilo PVC Polipropileno PP Fluoruro Polivinilideno PVDF Cloruro Polivinilo Clorinado PCVC Polipropileno Fibra de Vidrio PPG

En Cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin perdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosión o la corrosión.

La tapa de control une el cuerpo al servomotor, y en su interior se desliza el vástago del obturador accionado por el motor.

Para que el fluido no se escape a través de la tapa es necesario disponer una caja de empaquetadura, la cual debe ser elástica, soportar la temperatura de trabajo, con un bajo coeficiente de rozamiento, químicamente inerte y ser dieléctrico.

Tapa de la válvula

Empaquetadura

Tipos de empaquetaduras:

1) Teflón V (anticorrosión),

2) Perfluoelastómero con anillos de teflón rellenos con fibras de grafito,

3) Grafito con filamento o laminado o en cinta.

PTFE: politetrafluoretileno o Teflón

Obturador / AsientoEl obturador y los asientos se fabrican de: Acero inoxidable, Hastelloy, Monel, Stellite, 17-4PH endurecido y materiales termoplasticos.

Porcentaje de carrera de la válvula

Por

cent

aje

de C

auda

l

Característica de caudal inherente

Apertura rápida: El caudal aumenta mucho al principio de la Carrera llegando rápidamente al máximo. Lineal: El caudal es directamente proporcional a la carrera.

Isoporcentual: Cada incremento de la carrera del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de la variación.

Otras curvas características son: parabólica, tajadera, mariposa ybola.

Jaulas para válvulas de globo

1. ¿Qué significa usar una válvula ANSI 150-300?

2. ¿Qué tipos de empaquetaduras se utilizan en las válvulas?

3. ¿Cuáles son las respuestas características de un obturador / Asiento?

4. ¿Qué propiedades debe poseer la caja de empaquetadura?

Evaluación

Cálculo de parámetros de la válvula

Líquido Gas Vapor

Identificar el proceso

Temperatura

Líquido

Gravedad especifica

Viscosidad

Flujo

Coeficiente de Flujo Cv

Caída de presión

Presión de entrada

SaturaciónGas

Temperatura

Gravedad especifica

Datos del proceso

Datos de salida 1 de 2 conocidos

Flujo

Coeficiente de Flujo Cv

Caída de presión

Flujo

Coeficiente de Flujo Cv

Caída de presión

Tipo de obturador de válvula previamente seleccionado

Características de caudal efectivas

En la mayor parte de las válvulas que trabajan en condicionesreales, la presión diferencial cambia cuando varía la apertura de la válvula,

PAFF Fricción F - Fuerza requerida para cerrar la válvula.

A - Área de paso del asiento.

ΔP - Presión diferencia a través de la válvula.

FFricción - Fricción permitida para el vastago del obturador

De modo general, el caudal que pasa por la válvula corresponde a la ecuación: PAKQv Donde Qv es el caudal a tráves de la válvula y K es una constante.

Capacidad de un válvula de control

KcGc KvGv KpGp+

-

M(s) A(s) C(s)

Controlador Válvula Proceso

R

Diagrama de bloques, en donde M(s) es la posición del vástago de la válvula, A(s) es el flujo del fluido de proceso producido por la ubicación instantánea del vástago,

Definiciones:

Kv Flujo en m3/h, EuropaCv Flujo en galones por minuto GPM, EUA Av Flujo en m3/s,

En las válvulas de control ajustables los coeficientes Cv o Kv representan una relación de 100:1. En estasVálvulas se limita en un valor ajustable la carrera del obturador con lo que se reduce el valor de Cv o Kv

Equivalencia:

Kv =0.86 Cv (m3/h) Cv =1.16 Kv (GPM)

Tamaño de la válvula Para determinar el tamaño requerido de una válvula se necesita conocer:

•El flujo volumétrico a través de la válvula V•La presión diferencial a tráves de la válvula ΔP

El flujo o caudal de la válvula se determina :

GP

KV v

Donde Kv es el coeficiente de flujo, ΔP es la presión diferencia a través dela válvula y G es la densidad relativa / gravedad especifica del proceso.Si el proceso es Agua G=1 y la ecuación anterior se simplifica:

PKV v

Ejemplo:

En un circuito se bombea 10 m3/h de agua, determine la caída de presión a través de la válvula, con Kv=16.

232

16/10 hm

KvV

PPKV v

V=10m3/h y Kv=16, se despeja de la ecuación anterior para ΔP

barKV

Pv

39.01610

22

El agua que circula a través de un sistema, incurrirá en perdidas por fricción, estas perdidas pueden expresarse como caídas de presión que incrementaran en proporción cuadrática la velocidad, entonces el flujo puede calcularse por la siguiente relación:

2

12

2

21

PP

VV

donde, V1 es el flujo para una perdida de presión P1 y V2 es el flujo para una perdida de presión P2.

Ejemplo:

Se observa que el flujo V1 a través de una tubería es de 2500 m3/h, cuando la caída de presión P1 es de 4 bar. Determine la caída de presión P2 si el flujo V2 es 3500 m3/h.

Tamaño de la válvula

barVV

PP 84.725003500

4 2

2

21

22

12

Evaluación

Selecciona el tamaño de válvula correcto para las siguientes aplicaciones:

5. Caudal máximo 150 000 l/h Densidad 0.9

Temperatura 80ºCPerdida de carga 5 bar

1 m3= 1000 l

Kv=Cv=

6. Caudal máximo 45 m3/h Densidad 0.7

Temperatura 100ºCPerdida de carga 3 bar

Kv=Cv=

7. Caudal máximo 950 000 l/h Densidad 0.95

Temperatura 25ºCP1 = 18 bar

P2 = 24 bar

Kv=Cv=

Actuadores

La operación de una válvula de control involucra posicionar las partes movibles (obturadores) relativamente al asiento estacionario de la válvula. El propósito del actuador de una válvula es colocar con precisión el obturador en una posición marcada por la señal de control.

El actuador recibe la señal de un sistema de control, y en respuesta mueve la válvula a unaposición totalmente abierta, totalmente cerrada o a una posición intermedia, dependiendo delcontrol usado (ON/OFF o Continua).

Los actuadores principales son de tipo neumático y eléctrico. Otros sistemas de actuadores son hidráulicos y de acción directa.

Actuador NeumáticoSon comúnmente usados en válvulas de control y vienen en dos sistemas: •Actuador de pistón

•Actuador de diafragma

Actuador de pistón. Se usan cuando la carrera del vástago es muy corta. El aire comprimido seaplica a un pistón, al interior de un cilindro sólido. El pistón puede ser simple o de doble acción. Pueden resistir altas presiones de entrada en cilindros de volumen pequeño, y responder a alta velocidad

Actuador de diafragma. El aire comprimido se aplica sobre una membrana flexible o diafragma, cuya área es constante a través de la carrera del vástago. Este actuador es de acción simple, donde el aire se suministra de un solo lado. Pueden ser de acción directa (resorte para retraer) o de acción reversa (resorte para extender).

La elección de un actuador neumático de diafragma de acción directa o de acción reversa depende de la naturaleza del proceso y de los requerimientos de seguridad. Tiene sentido que en caso de falla del suministro de aire, usar válvulas de cierre en procesos de vapor y usar válvulas de apertura en procesos de enfriamiento. En consecuencia se debe considerar la combinación de actuador y tipo de válvula.

Todo buen ingeniero deberá basar su criterio de diseño en la seguridad del usuario final.

PosicionadoresPara muchas aplicaciones una presión de 0.2 a 1 bar en la cámara del diafragma puede no sersuficiente para sobrellevar la fricción y la presión diferencial. Un sistema de control de alta presión y resortes resistentes pueden ser usados, sin embargo en la practica se recurre al uso de posicionadores. El posicionador es un dispositivo adicional que se une a los pilares del actuador y que es vinculado al eje del actuador por un brazo retroalimentado, con la intensión demonitorear la posición

Posicionadores DigitalesAlgunas veces llamados posicionadores SMART, un posicionador digital monitora la posición de la válvula y convierte esta información en forma digital, que mediante un micoprocesador se puede lograr: 1) alta precisión en la posición de la válvula, 2) adaptabilidad en los cambios de control, 3) sistemas de rutina para auto ajuste y calibración, 4) diagnostico en línea y monitoreo centralizado mediante sistemas de comunicación en protocolos HART, Fieldbus o Profibus.

Posicionadores y actuadores neumáticos rotativos

Este tipo de actuadores se aplican en válvulas de bola, mariposa, y acción rotativa. El tipo de pistón es el más comúnmente usado, el cual consta de dos pistones al interior de una cámara quecomprimen una flecha centrada. Los pistones y la flecha tiene un sistema de riel dentado y piñónpara transferir el movimiento.

Actuador EléctricoLos actuadores eléctricos utilizan un motor con requerimientos de voltaje de: 230 Vac, 110 Vac, 24 Vac y 24 Vdc. Existen dos tipos de actuadores eléctricos:

•VMD Valve Motor Drive•Modulado

VMDOpera en tres estados: Control para cerrar la válvula, Control para abrir la válvula y Sin movimiento. Un switch extermo conmuta los estados de operación del sistema VMD. Un controlador posiciona la válvula en cierre y abertura, por un cierto tiempo asegurando que logra la posición deseada por retroalimentación.

ModuladoUn circuito de posicionamiento debe ser incluido en el modulador del actuador, el cual acepta una señal de control análoga (típica 0-10V o 4-20 mA). El actuador interpreta esta señal como

Una posición de la válvula entre los límites, para lograrlo en actuador posee un sensor de posición (usualmente un potenciometro), el cual retroalimenta la posición de la válvula al circuito.

Los actuadores eléctricos ofrecen fuerzas especificas, que dependerán del modelo,

Es deseable consultar las hojas técnicas del

fabricante en la presión diferencial a través de la válvula para determinar el tamaño del actuador.

Una limitación de los actuadores eléctricos es su respuesta lenta en la velocidad de movimiento de la válvula, que puede llegar a ser de 4 seg/mm.

Evaluación

8. Identifique a que tipo de actuador corresponden las siguientes figuras:

9. Los actuadores de diafragma pueden ser ________________ o de _____________

10. ¿Cual es el propósito de agregar un posicionador al actuador?

11.¿Que diferencia existe en el funcionamiento de un actuador eléctrico VMD y modulado?

Evaluación

Controlador. El controlador recibe una señal, toma la acción que sea necesaria y envía una señal al actuador para que realice un movimiento. La mayoría de los controladores se basan en electrónica digital, microprocesadores, PLC y PC. Algunos de los ejemplos típicos de control son:

Controlador de lazo simple. Opera una válvula y actuador desde un sensor.

Controlador de lazo múltiple. Puede operar más de una válvula y actuador desde varios sensores.

Entrada y salida simple. Puede aceptar la señal de un solo sensor y enviar la señal a un solo actuador.

Entradas y salidas múltiples. Puede aceptar varias señales y enviar varias señales.

Tiempo Real. Puede incluir un temporizador para interrupción a un tiempo predeterminado.

Lapso de tiempo. Puede generar una interrupción para un tiempo o lapso predeterminado, antes o después de la señal de paro y arranque de la planta.

Rampa y escalón. Sigue un patrón de secuencia en

cambio y mantenimiento. (Figura de la izquierda)

Señales de Comunicación Electrónica.HART

PROFIBUS

FOUNDATION FIELDBUS

Highway Addressable Remote Transductor. Es un protocolo de comunicación para dispositivos de control en campo con una señal de control analógica de 4-20mA en FSK de 1200 Baud. Es el sistema de comunicación mas usado en los procesos industriales.

Protocolo de comunicación digital en serie, que permite la comunicación de dispositivos de diferente fabricante, se usa en aplicaciones criticas de alta velocidad y sistemas complejos. La transmisión puede ser por RS-485 o fibra óptica.

Su estructura en red se conforma de tres niveles: 1) nivel de sensores y actuadores, 2) nivel de sistemas automáticos en terminales de sensores y válvulas, 3) nivel de células de comunicación entre PLC y PC con conexión a Ethernet.

Es un sistema se comunicación serial digital de dos vías, que funciona como una red de área local LAN de los dispositivos de instrumentación y control de la fabrica o planta. Entre sus características están: 1) Dispositivos inter-operables, 2) Mejora los procesos de datos, 3) permite una vista general del proceso, 4) Implementa sistemas de seguridad, 5) Facilita mantenimientos predecibles, 6) Reduce costos de cableado y mantenimiento.

Topología de una red Industrial

Propósito: Lograr una automatización integral a través de un mejor control y monitoreo del proceso en tiempo real, así como alcanzar una comunicación eficiente entre los departamentos de la planta.

Ruido en las válvulas de controlEn las industrias de proceso intervienen muchos factores que contribuyen al mantenimiento de altos niveles de ruido, entre los cuales, uno de los más importantes es el generado durante el funcionamiento de las válvulas de control instaladas en las tuberías que transportan líquidos, gases y vapor. Las leyes y normas industrial obligan a la reducción del ruido sobre un nivel admisible.

Causas del ruido en válvulas

Vibración mecánica. Es debida a las fluctuaciones de presión casuales dentro del cuerpo de la válvula y al choque de fluido con las partes móviles. Otra causa, es la resonancia de un componente vibrando a su frecuencia natural.

Ruido Hidrodinámico. Es producido por los líquidos al circular a través de la válvula, pudiendo encontrarse en varios estados: Sin cavitación, con cavitación y con vaporización. Se encuentra una banda estrecha L sin emisión de sonido, sigue una banda T con ruido moderado y un campo crítico Z1-Z2 donde se pueden provocar daños importantes en las válvulas.

Ruido aerodinámico. Proviene del flujo turbulento del vapor, del aire y otros gases, siendo despreciable en los líquidos. Se produce por obstrucción en el flujo, expansión rápida o deceleración por codos o curvas en la tubería.

Daños por cavitación en laspartes internas de unaválvula.

Cavitación

La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno.La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina

Evaluación

12. ¿Cuál es la función de un controlador? y mencione un ejemplo.

13. ¿Cuáles son los protocolos de comunicación mas usados en la Industria?

14. ¿Cual es la finalidad de implementar un protocolo Fieldbus en la industria?

15. ¿Cómo afecta la cavitación el funcionamiento de una válvula?

Evaluación