texto valv. de control dimen. y selección

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VALVULAS DE CONTROLACL Rev-1

INDICE 1 - VALVULAS DE CONTROL .. 4 - Generalidades: Normas; Definiciones; Terminologa. 2 - TIPOS MAS FRECUENTES.. 5 - Por diseo: Alternativas y Rotativas - rganos internos, diversos diseos 3 - MATERIALES, CONSTRUCCION, PRUEBAS . 16 - Diseo cuerpo-tapa. Materiales. - Criterios prcticos de seleccin materiales. - Presin nominal Ratings - Cierre obturador- asiento- Clases de fugas. Estanqueidad al exterior 4 ACTUACION Y POSICIONADORES 27 Actuadores neumticos Actuadores elctricos e hidrulicos Posicionadores convencionales e inteligentes. Otros accesorios.

5 - TIPOS DE DERRAME,,...... 42 1- Derrame en lquidos - Subcrticos, crticos: Cavitacin, Flash. - Coeficientes Fl- Kc- Km- Xfz- Sigma. - Cavitacin y consecuencias. Su tratamiento - Vaporizacin- flash. 2- Derrame en gases y vapor - Coeficiente XT - Ruido aerodinmico, factores y soluciones. 6 - CALCULO Y SELECCION .... 58 - Introduccin a las frmulas de clculo. Cv, Kv. - Procedimiento de calculo IEC / ISA 7LOS DATOS DE CALCULO .. 64 Variables del proceso y su presentacin Rgimenes de caudal y presion. Prdida de carga para clculo de la vlvula Condiciones del fluido a la entrada de la vlvula.

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8 - PASOS Y EJEMPLOS DE CALCULO . 71 - Tamao cuerpo y trim. Velocidades - Proceso de seleccin. - Programas informticos para el clculo. - Ejemplos de clculo 9 Aplicaciones en sector energa.80 - Servicios severos en C. Trmicas y ciclos combinados - Cogeneracin - Termosolares Presentaciones ....83


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1 VALVULAS DE CONTROL

- Normas de referenciaEl diseo de cuerpo ms conocido es el tipo globo que puede ser de simple asiento, doble, con jaula etc. Lo normal es que consten de cuerpo y una dos tapas en algunos casos, sobre todo en los diseos antiguos. Tambin hay vlvulas que, por su diseo, no tienen tapa, por ejemplo las mariposas, el tipo globo con obturador rotativo, las bolas segmentadas de regulacin, algunos diseos de bolas con cuerpo completamente soldado. El diseo de un cuerpo debe quedar amparado por una norma, criterio standard. Los fabricantes tienen que apoyarse en aquellas normas estndares ms comnmente aceptados para la construccin de plantas industriales. Las normas ms usuales que tienen relacin con los aspectos mecnicos de las vlvulas, rating, dimensiones, conexiones tolerancias, ensayos etc., son las siguientes: ANSI B16.34 Para diseo de vlvulas. Define el rating, materiales, pruebas hidrosttica. Fundicin y procedimientos de reparacin. Ensayos no destructivos. Los ratings segn clases 150-300-600-900-1500-2500 lbs., que no son equivalentes a normas europeas EN1759 ANSI/ASME- B. 16.5 Bridas de tuberas, ratings - materiales, tipos acabado ANSI B 16. 5/10 Para todo tipo de conexiones, embridadas, roscadas, soldadas. Equivalente a ISA S. 75.03, 04, 12, 14, 15, 16, 22. face to face dimensiones Para extremos B.W. : ANSI B 16.25 ; EN 12627 ; ISO 9692-1 ANSI-FCI 70.2 para fugas obturador-asiento.

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A nivel europeo son de apliucacin las normas de mbito comunitario. Algunas de ellas, relacionadas con las vlvulas son: Pressure Equipment Directive PED 97/23/CE de obligado cumplimiento para todo equipo a presin: cuerpos de vlvulas. Los materiales quedan bajo norma EN-10213- 1 a 4 para cuerpos fundidos. La tortillera (Bolting) bajo EN-10269

Toda la cuestin de materiales ha tenido un proceso de armonizacin entre los cdigos ASTM y sus equivalentes con denominacin EN-. EN-12516-1-2-3 para el rating del cuerpo, bajo deno,inacin B-10-25-40-63-100. En realidad los trminos DIN e ISO no deberan usarse, sustituyndolos por EN- , pero an se mencionan. - DIN, PN-10-16-25-40-64-100 para definir ratings estara cubierto por EN-1092 pero con la diferencia que desaparece el PN-64 y es sustituido por PN-63 - ISO, PN-20-50-100-150-250-420 est cubierto por EN-1759 - API 607 Vlvulas de cuarto de vuelta (bola-mariposa-macho) con cierre blando

- ISO 7005.01 Presin T para bridas- IEC - 534. 1 / 2 todo sobre vlvulas de control - JIS - Japanese Ind. Standard. (JS 1025) - Y otras segn clientes paises donde se implante el proyecto.


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- Definiciones Lo caracterstico de una vlvula de control es que son vlvulas gobernadas por una seal de control variable, que responden a lo largo de toda su carrera, siendo actuadas por un medio independiente al proceso: aire, electricidad, presin hidrulica.

Veamos que efiniciones que hace ISA para una vlvula de controlISA- Instrumentation System and Automation A power operated device which modifies the fluid rate in a process control system. It consists of a valve connected to an actuator mechanism that is capable of change the position of a flow controlling element in the valve in response to a signal from the controlling system.

- Partes constitutivasDesde un punto de vista mecnico, las partes a estudiar son: Cuerpo tapa (como recipiente a presin) y tortillera. rganos internos (trim) Actuado

- Terminologa: Todas y cada una de las partes y elementos estn perfectamente definidos en cuanto a su denominacin. As pueden consultarse: ISA-S 75.05 ISA-S 51.1 IEC-534. 1 DIN- 19227 Control Valve Terminology Process Instrumentation Terminology. Control Valve Terminology Simbolos y graficos de representacin

EN 736 Part- 1-2-3 Definiciones y terminologa en general


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2 - TIPOS MAS FRECUENTES

Cuerpo-tapa son las partes que sirven de armazn a la misma y por tanto determinan su forma y dimensiones. Se incluyen las conexiones a la tubera: bridas, uniones soldadas, roscadas, etc. El conjunto cuerpo tapa soportan el contacto con la presin y temperatura del fluido, y por tanto acta como recipiente a presin. (las condiciones de diseo sirven para definir el rating PN) Deben ser resistentes a la corrosin y erosin producida por el fluido.SimpleDoble asiento

Angular Globo Lineales Tres vas Cuerpo partido En Y, etc. DOS GRANDES GRUPOS Membrana (Manguito)

Rotary Plug [S.Asiento] Rotativas Mariposa Bola - Macho Podemos clasificar los diseos en dos grandes grupos: Vlvulas con vstago de movimiento lineal. (alternativas- reciprocating) Vlvulas con vstago rotativo. (rotativas)

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Movimiento lineal alternativo Globo simple asiento. Puede ser desequilibrado equilibrado. Las primeras se fabrican en todos los ratings y materiales, normalmente hasta 6 - 8 de dimetro debido a que como el obturador cierra contra toda la presin de entrada, los actuadotes tienen dificultad para soportar altas presiones diferenciales. Cuando el actuador es insuficiente antieconmico para alcanzar esta fuerza de asentamiento, se acude a diseos de obturadores equilibrados de jaula con obturador equilibrado con las que se pueda conseguir estanqueidades clase IV V y en algunos tamaos, con diseos especiales, clase VI.


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Globo doble asiento Este tipo, muy usado en el pasado y ahora menos, tiene un obturador ms equilibrado por lo que se usa en grandes tamaos. Su limitacin es que tiene una calidad de cierre peor. No alcanza la clase IV, por ser difcil la simultaneidad de cierre de los dos asientos al mismo tiempo. Doblemente guiado. Precisa de actuadores ms pequeos. Soporta altas presiones diferenciales. En su versin con obturador en lumbreras ofrece muy buen coeficiente de caudal crtico Fl, por lo que en algunas aplicaciones es buen diseo para prevenir la cavitacin

Angular Top Guide

Globo Stem Guide

Tres vas

Tres Vas Las vlvulas de tres vas pueden ser mezcladoras con dos entradas y una salida separadoras con una entrada y dos salidas. Su aplicacin tpica es el control de temperatura de intercambiadores. Sin embargo tienen menor coeficiente de caudal (Cv) y soportan menos presin diferencial; Son ms inestables por no ser obturador equilibrado. Por eso en muchos casos es ms interesante y econmico usar dos vlvulas de acciones opuestas e independientes. Se simplifica el diseo de tuberas y podran ser de menor de menor tamao, segn sean las condiciones de clculo. Angulares Siendo tambin una vlvula tipo globo se utiliza en aplicaciones que lo requieren por diseo de tubera, altas presiones diferenciales, fluidos sucios abrasivos. En estos casos debe ser fluido tiende a cerrar.


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Favorecen el auto drenaje con lo que no queda producto en su interior cuando manipulan fluidos peligrosos tendentes a cristalizaciones, depsitos, etc. Buena para servicio en flash, con fluido tendiendo a cerrar. Mal coeficiente Fl, de caudal critico para evitar cavitacin.

Diseo sanitario / alimenticio

Cuerpo en Y

Cuerpo partido

Vlvula en Y Buena para fluidos cargados de partculas. Pueden montarse inclinada para facilitar el auto drenaje. Produce poca prdida de carga. Tiene gran capacidad de caudal Cv. Bajo coeficiente Fl. Hay. Cuerpo partido El cuerpo es de dos piezas y normalmente sujetan el asiento. Se utiliza cuando, por la naturaleza del fluido, que sea pastoso propenso a obstrucciones, se requiere hacer limpiezas peridicas. Sanitarias / alimenticias. Tambin para la industria alimenticia hay diseos especficos. En lugar de bridas se usan uniones Tri Clamp de desmontaje rpido, tanto las uniones a tubera como la unin tapacuerpo. Los cuerpos, normalmente de inoxidable, estn pulidos despus de su mecanizado. ( 10 micrn/inch Ra). Hay tambin diseos aptos para ser esterelizables peridicamente. De membrana y manguito Las vlvulas de membrana conocida originalmente como diseo Saunders, el cuerpo es tipo globo pero normalmente recubierto de distintos materiales: ebonita, vitrificado, PFA, Halar, etc. Se usa en fluidos corrosivos, con fibras, viscosos, etc. Solucin econmica pero que no ofrece buena regulacin por el tipo de obturador (la propia membrana). Su curva caracterstica es parecida a una todo-nada. Rangeabilidades pequeas. Disponible slo en cuerpos de bajo rating, PN 10-16 Requieren actuadores grandes. Tiene limitaciones de temperatura por el material de membranas y recubrimientos. Las vlvulas de manguito limitan su aplicacin a fluidos abrasivos, viscosos, con partculas. El tubo de goma, de la calidad adecuada, es pinzado por el actuador. Aplicable para bajas presiones de fluido con la limitacin de temperatura que tenga el material del manguito.


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-Vlvulas rotativasDebido a las mejoras de diseo introducidas, se ha generalizado mucho el uso de vlvulas rotativas para el control. Presentan ventajas y algunas limitaciones que hay que conocer para su adecuado uso. En muchos procesos y aplicaciones las ventajas pesan ms que sus limitaciones, mientras que en otros ocurre lo contrario. Una peculiaridad de las vlvulas rotativas es que, salvo algunos variantes, cuerpo y tapa son de una pieza. No hay tapa y por tanto no tienen junta tapa-cuerpo. Esto, desde el punto de vista de las fugas, (seguridad) es mejor. Es peor desde el punto de vista de la accesibilidad a los internos. Ventajas -Mayor coeficiente de caudal Cv. -Menos friccin y menos banda muerta. -Poca prdida de carga. -Menos peso y volumen.Facilidad de instalacin. -Muy buen Cv ratio, > a 100:1 -Menor coste Algunas Limitaciones En mariposas, a partir de 3, soportan menos delta-p actuadores + caros. -Tienen peor coeficiente Fl. (cavitan) -Producen ms ruido.

Globo simple asiento con obturador rotativo excntrico. Rotary Plug Constituy una revolucin su aparicin durante los aos 70. El primer diseo CamflexMasoneilan, permaneci en solitario ms de una dcada hasta que progresivamente fue adoptado por casi todos los fabricantes existiendo en la actualidad diversas versiones basadas en la idea original. Su uso est tambin muy generalizado y es muy recomendado para algunas aplicaciones concretas. Hay que conocer algunas de sus limitaciones sabiendo que no pretende cubrir toda la gama de aplicaciones en la industria, como les ocurre a otros tipos de vlvulas Los cuerpos de estas vlvulas pueden ir embridados aunque la idea original fue para montaje entre bridas, incluso de distinta norma ANSI / DIN-ISO, que las hacen ms verstiles. Tanto es as que se desarrollaron normas a tal efecto: ISA S 75.3; DIN IEC 534 3-2. para estandarizar la distancia entre caras. Normalmente se fabrican hasta 600 lb. de rating. La tapa integral extendida permite su uso en alta temperatura aplicaciones criognicas. Ya hay versiones tambin para cumplir recomendaciones NACE, uso para oxigeno, etc. En cuanto a materiales est estandarizada en Ac. Carbono e Inoxidable pudiendo encontrarse en otros materiales de cuerpo ms sofisticados, Alloy-20, Duplex, etc. Se consiguen muy buenas calidades de cierre: Clase IV VI. No suelen ser clase-V

Diseos globo- Rotary, cortesa de: a) Masoneilan

b) Cashco

c) Vetec-Samson


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Mariposas Es el modelo rotativo ms antiguo que usaba discos planos procedentes de las vlvulas manuales y todo-nada. Este disco plano no es un diseo propiamente de control como veremos ms adelante, aunque en procesos de baja responsabilidad y con pequeas variaciones de carga pueda ser usado: agua, algunos gases, dampers, etc.

Posteriormente se han desarrollado nuevos diseos de cierre y discos que aumentan y mejoran sus prestaciones como vlvula de control adems de permitirles trabajar en altas presiones y temperaturas. Son las conocidas como High Performance Este ltimo tipo de vlvulas se pueden encontrar hasta tamaos de 30 40. Rating hasta 1500#, segn tamaos y materiales.

Bola y sector de bola Tambin partiendo de las vlvulas manuales y on-off se comenzaron a usar para control. El inicio de este camino tuvo lugar en la industria del papel fundamentalmente dado que su rea de paso, ms bien recto, lo aconsejaba para manipular agua con fibra pasta de papel. Tambin se usan en fluidos viscosos. Caracterstica de control un poco peculiar. Posteriormente, aos 65 70, surgi el diseo de bola segmentada. Se trata de caracterizar parte de una bola y as obtener una buena curva caracterstica, prxima a la isoporcentual y mejorar el control adems de no perder las ventajas del diseo bola. Por otra parte se mejora el guiado para reducir la banda muerta. Todo un conjunto de mejoras hace que estos nuevos diseos tengan un excelente Cv ratio, junto a las vlvulas de globo con obturador rotativo excntrico vistas anteriormente. Superior a 200:1 Bola standard Bola segmentada


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- rganos Internos (Trim) Dentro del cuerpo se alojan los elementos de cierre que modulan el caudal: obturador y asiento. Se denomina Trim a los rganos internos que son mojados por el fluido: Obturador, Asiento, Jaula - si la hay - Guas y Vstago. Evidentemente, los rganos internos que configuran el trim son diversos segn el tipo de vlvula. Unos sern los correspondientes a cuerpos diseo globo y otras a los diseos rotativos. Dentro del diseo globo pueden ser no equilibrados equilibrados. Los obturadores no equilibrados pueden ser parablicos torneados con lumbreras. ( El diseo con lumbreras tiene un mayor coeficiente caudal crtico Fl, por lo que puedes un poco ms anticavitante) No deben usarse las lumbreras como guiado, sino que esta funcin debe hacerla una buena gua superior, como se ver ms adelante. La caracterizacin de caudal la define la mecanizacin del perfil del obturador de la forma de las lumbreras. Con estos diseos de trim hay que dimensionar los actuadores para que puedan cerrar con la estanqueidad deseada - teniendo en cuenta que en ese momento la presin de entrada por el rea de asiento ejerce una fuerza contra el actuador que debe ser vencida por este. Con los diseos actuales de actuadores esto no suele ser problema. Si lo fuere, hay que acudir entonces a vlvulas con obturador equilibrado. Todo lo dicho hasta ahora es extensible a los diseos angulares. Estas vlvulas se reservan para aplicaciones singulares por lo que algunos cuerpos y diseos de trim estn enfocados a solucionar problemas especficos: Flash, abrasin etc.

Obt. Desequilibrado-Lumbreras.

Obturadores torneados.

Cambio rpido guiado por jaula

El trim de las vlvulas de tres vas, mezcladoras separadoras, son generalmente del tipo lumbreras y con caracterstica inherente lineal. Se pueden hacer torneados.

Diseos tres vas. d) Cortesa de Masoneilan Jaulas caracterizadas. e) Cortesa de Emerson.


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Los obturadores equilibrados son aquellos en los que la presin de entrada est por debajo y por encima del obturador lo que hace que se mueva en la vena del fluido sometido slo a la presin diferencial . La estanqueidad en este caso no depende de la unin obturador-asiento sino tambin del tipo de junta (segmento) entre obturador y jaula. Un buen diseo debe contemplar materiales de jaula-gua de distinta naturaleza, dureza y mecanizado que el obturador. Permite el uso de actuadores ms pequeos. No es adecuado en fluidos sucios. Una variante de este diseo es la vlvula con jaula. El sistema de cierre modulante es un obturador tipo pistn que se mueve dentro de una jaula-gua. La caracterstica la determina la forma y disposicin de los agujeros ventanas de la jaula. Esto permite modificar y/o caracterizar jaulas de diverso tipo: Standard lineal/isoporcentual, paso reducido, anticavitacin, Lo-dB etc.

Cuando se requiere mejorar la estanqueidad a clase IV V segn tamaos y temperaturas, se equipa al obturador con un piloto interno que cierra la comunicacin que lo hace equilibrado. Otros aumentan el nmero de segmentos en el obturador-pistn. Tambin se pueden poner segmentos de tefln siempre que sea admisible por temperatura. Este tipo de obturadores puede montarse en cuerpos de paso angular. Tiene una buena relacin tamao capacidad de caudal Cv. Por su diseo permite controlar grandes presiones diferenciales en lquidos y gases. Sentido de circulacin: F.T. Open / F.T. Close En las vlvulas de simple asiento el sentido de circulacin en el cuerpo es generalmente fluido tiende a abrir (FTO-Flow To Open). En algunas ocasiones se recomienda que sea a la inversa, FTC, por ejemplo en derrames con vaporizacin de media presin. Sin embargo las vlvulas tipo jaula pueden usarse con ambos sentidos de circulacin segn su diseo y aplicacin. Para lquidos se recomienda fluido tiende a cerrar aunque esta forma de hablar no resulte muy apropiada para obturador tipo jaula, quiere decirse que el fluido entra lateralmente a travs de la jaula. Los diseos de jaula, por el contrario, requieren que se haga un buen diseo mecnico de todo el trim. Los materiales, su calidad de mecanizado as como todas las juntas usadas deben ser estudiados a tenor de la temperatura y presin de trabajo. Con estas vlvulas se trabaja hasta ratings de 2.500 lb. (PN-250 aproximadamente, aunque no es equivalente) Por otra parte el acabado interior de la jaula debe ser muy bueno, con unos materiales y durezas distintas al obturador-pistn. No siempre el diseo jaula es el ms adecuado en contra de alguna opinin. Aplicaciones con fluidos sucios, viscosos con partculas deben ser analizadas con cuidado. Si el rating lo permite, en estos ltimos casos se comporta mejor los diseos globo rotary plug antes vistos.


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Tipos de guiado: Caben distintos diseos. En la figura siguiente hay dos vlvulas aparentemente iguales pero de prestaciones son distintas. El guiado por vstago Stem guide es un diseo ms sencillo propio para bajas presiones diferenciales y tamaos pequeos de trim. Estos vstagos suelen tener dimetros desde 9mm hasta 12mm por lo que los esfuerzos laterales del fluido empiezan a notarse en forma de vibraciones. Por otra parte casi siempre coinciden con diseos de unin tapa-cuerpo ms simple y corto. El centro de gravedad de la vlvula est ms bajo. La estopada ms cerca del cuerpo. No permiten jaulas internas.

Guiado por vstago ( Stem-guide )

Guiado superior( Top-guide )

Por el contrario el guiado superior Top guide , supone un dimetro de gua dos tres veces superior al dimetro del vstago y en una longitud de gua que garantiza la estabilidad del obturador en toda su carrera frente a los esfuerzos dinmicos del fluido. El diseo del cuerpo, ms ancho y alto en su parte superior permite la introduccin de jaulas que pueden ir caracterizadas para opciones de control de cavitacin ruido. Tapa ms larga apta para una temperatura de unos 230 C segn fabricantes.

- Trims rotativos Vlvulas de mariposa El primer diseo de disco fue plano, derivado de las vlvulas manuales. Usando este disco se utiliza solamente 60 de giro, all donde la curva tiene mejor trazado. Buscando reducir los esfuerzos que actan sobre el disco se disearon perfiles ms dinmicos: cola de pez, cncavo convexo, caracterizado, no simtrico, etc. Estos diseos reducen tambin el par torsor sobre el rbol pudiendo dar una mejor regulacin en toda su carrera-ngulo de apertura


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Cuando nos referirnos al eje de vlvulas rotativas no decimos vstago (stem), sino rbol-(shaft) Como este tipo de vlvula se usa en grandes tamaos, los esfuerzos sobre el disco se convierten en un par torsor que debe ser soportado por el actuador. Por tanto, en el proceso de seleccin del actuador, hay que analizar bien no slo la delta-p que soporta la vlvula cerrada, sino tambin la delta-p mxima admisible en posiciones intermedias de control. Tambin se han mejorado mucho los sistemas de cierre disco-cuerpo as como la seleccin y mecanizado de los materiales para el trim. Todo ello conduce a los tipos denominados HPVHigh Performances Valves de alta presin con estanqueidades clase IV- V y VI. Hay tambin diseos especiales para bajo nivel de ruido anticavitacin.

Trim bola y sector de bola para control El obturador es una bola convencional, maciza hueca (para grandes tamaos). Material inox. en general. Los asientos sern metlicos , de PTFE grafito para altas temperaturas. Las bolas segmentadas (sector de bola) son todas muy parecidas. El material base es AISI-316 317, este ltimo usado en la industria del papel. Va durocromada a fin que la superficie de contacto con el asiento no se desgaste. Hay versiones de este diseo con sistema para reducir el ruido. Tambin hay diseos de bolas con cuerpo y obturador en material cermico para trabajar con fluidos abrasivos. Las vlvulas de bola, mariposa y macho son de alta recuperacin de presin y por tanto tienen bajo coeficiente de caudal crtico Fl que las hacen menos anticavitantes. Tambin pueden producir ms ruido.

Trim globo rotativo excntrico-rotary plug El obturador es un casquete que toca el asiento slamente en el momento del cierre, por lo que es propiamente una vlvula de asiento. Junto con los diversos diseos derivados del original Camflex (Masoneilan -ao1969), el material base suele ser AISI-316 endurecido no segn fabricantes. Admite doble sentido de circulacin. En servicios con flash, fluidos cargados y abrasivos se recomienda fluido tendiendo a cerrar. Se pueden obtener estanqueidades clase IV VI. Tiene valores de Fl inferiores a las vlvulas de asiento pero superiores a las de bola y mariposa; vara con el sentido de circulacin del fluido. El rbol rotativo, como en todas de esta familia, est sometido a menos friccin por lo que tienen menos banda muerta que las de desplazamiento lineal lo que se traduce tambin en una muy buena rangeabilidad. Se consigue una mejor estanqueidad de cierre al exterior a travs de la estopada al estar esta sometida slo a un pequeo giro del rbol, menor de 90, Incluso se mejora con la adiccin de dos juntas tricas.


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Varios diseos obt. rotativos. - Criterios de seleccin

Cortesa de:

a) Emerson.

b) Metso-Neles

Los tipos vistos hasta ahora son lo modelos ms bsicos. Existen varios diseos, algunos de los cuales se vern ms adelante cuando sea necesario afrontar determinadas aplicaciones de derrames crticos con cavitacin, flash limitar el nivel de ruido. Adems hay diseos especficos para aplicaciones concretas: atemperadoras de vapor, by-pass de turbinas, by-pass de compresores, fluidos especiales, etc. En el cuadro siguiente se hace un resumen de las caractersticas de cada diseo bsico. Estas caractersticas se tendrn en cuenta para hacer una primera seleccin cuando nos enfrentamos al proceso de clculo. Posteriormente, durante el proceso de seleccin puede ocurrir que la vlvula inicialmente pensada deba cambiarse por otra. En las hojas de datos para consulta se puede especificar un modelo bsico inicial, basado en criterios de estandarizacin, en la opinin inicial del cliente comprador, pero cada fabricante puede recomendar otro tipo de vlvula, para lo que deber aportar las razones tcnicoeconmicas que justifiquen tal decisin. Es frecuente que todos los servicios que se den en una planta unidad de proceso puedan requerir vlvulas de diferentes diseos. Los criterios de seleccin y compra debern tener en cuenta la mejor relacin caractersticas tcnicas / precio, valorando tambin el mantenimiento posterior, nivel de recambios necesarios, asistencia post-venta del proveedor, etc. An cuando los cuerpos de las vlvulas deban ser diferentes se buscar la mayor uniformidad posible en actuadores y accesorios (fundamentalmente el posicionador)


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RESUMEN PARA SELECCIN DE CADA DISEOTipo Globo Top-guide Caractersticas -Todos los materiales y rating. -Tamaos hasta 6 8. -Medias y bajas delta-ps, segn tamaos y actuador. -Clase de cierre IV-V-VI. -Fl mnimo 0,90. -Pueden ser micro flujos. -Todo tipo de conexiones. -En versin guiado por vstago slo para bajas delta-p. -Relacin lineal seal-carrera. -Apta para altas presiones diferenciales. -Tamaos desde 3 hasta 16-20 -Mayor Cv -Permite jaulas caracterizadas. -Buen Fl. Mnimo 0,9 segn diseo de jaula. -Admiten trims Lo-dB y anticavitacin. -Slo para fluidos limpios. -Actuadores ms pequeos. -Ms caras. -Buena relacin tamao /Cv. Mayor que globo alternativo. -Muy buen Cv Ratio. Mnimo 100:1 -Moderadas delta-p, excepto tamaos pequeos. -Tamaos desde 1 hasta 16 -Cierre Clase IV VI. -Rating limitado a 600#, normalmente. -Regular Fl. Mejor que mariposas, peor que globo. -Ms ruido. Admiten placas Lo-dB. -Respuesta muy rpida, sobre todo en tamaos pequeos. -Menos peso y volumen en la instalacin. -Ms baratas. -Grandes caudales. -Tamaos desde 3 hasta 24-30 -Bajas-moderadas delta-p excepto con pistones. -Mal coeficiente Fl critico. Habitantes. -Ruido alto, excepto diseos especiales. -Estancas a bajas temperaturas slo. -Ms econmicas. -Alto Cv. -Buen cierre. -Muy buen Cv Ratio. -Mal coeficiente Fl. -Buena para fluidos cargados, viscosos, etc. -Ruido alto en gases. -Ms caras.

Globo - Jaula

Globo Rotary-Plug

Mariposas

Bola segmentada


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3 MATERIALES, CONSTRUCCIN PRUEBAS - Nveles de diseo Laiversidad de opciones y diseos disponibles en el mercado se deben a las opciones planteadas por cada fabricante. Por tanto se pueden establecer tres grupos categoras, segn sean las caractersticas constructivas y por tanto a las prestaciones que se ofrecen. Estos tres grupos hacen referencia fundamental a las vlvulas de globo por ser las ms usadas. Diseo Ligero- Light Duty Seran las vlvulas de globo ( mariposa) de bajo rating, 150lb. (PN10-16), y a veces 300lb. Materiales de cuerpo en fundicin nodular, bronce, fundicin gris. Asiento roscado. Empaquetadura apretada con una sola tuerca de apriete. Guiado por vstago (stem guide). Puente de actuador de fundicin ligera columnas. Actuador de membrana resorte de bajos esfuerzos. Las vlvulas guiadas por vstago no suelen usarse por encima de 4 y para moderadas presiones diferenciales.

Diseo Ligero

Standard

Heavy Duty

Standard Duty Es el grupo que cubre la mayora de prestaciones con gama de 300 600 lb. Se funden en todo tipo de materiales aleados. Tapa embridada sobre cuerpo que permite internos de cambio rpido, pinzados con jaula. Guiado superior robusto (Top Guide) por jaula. Admite trims de diversa configuracin; cavitacin, bajo ruido. Estopada apretada por brida y dos tornillos. Actuador de fundicin Ac. Carbono adecuado para esfuerzos grandes incluso con pistones neumticos. Fuelles de estanqueidad, si son precisos. Servicios de alta y baja temperatura, etc Heavy Duty Para cuerpos de 600lb. en adelante, con posibilidad, si fuera necesario de obtener bridas de inferior rango. Todo tipo de conexiones y acabados. Todo tipo de materiales y ensayos no destructivos. Admiten internos de alta configuracin para altas presiones diferenciales, multietapa, cavitacin y ruido, doble triple jaula, etc. Puente de actuador robusto para pistones neumticos, hidrulicos elctricos. En muchos casos son vlvulas hechas a medida de una aplicacin determinada. Con los diseos heavy duty se pueden afrontar las ms severas aplicaciones que se dan en el mundo de la energa y las plantas de proceso a altas presiones y temperatura. - Materiales cuerpo - tapa Cuerpo tapa y todas las partes internas de una vlvula son mojadas por el fluido que circula por la tubera. En la seleccin del material se tendr en cuenta, no slo la resistencia y compatibilidad qumica con el fluido, sino tambin la resistencia al desgaste por velocidad, turbulencias, abrasin, posible vaporizacin rgimen bifsico, etc. En algunos casos se valorar tambin la agresividad del medio externo. Los aceros al carbono son comnmente usados en los productos derivados del petrleo, pero en una planta Off-Shore habr que considerar el ambiente salino, bien con un acero ms adecuado una proteccin imprimacin adecuada, no slo de la tapa sino tambin de la tortillera y vstago.


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Las mismas precauciones se tomarn en otro tipo de industrias lugares que tengan atmsferas potencialmente corrosivas. La seleccin del material del cuerpo tapa depende de: - Naturaleza del fluido. - Presin / temperatura de operacin. El material, en general podr ser igual semejante al de la tubera salvo que exista otra causa. Por ejemplo, hay casos en los que si la tubera se especifica en 316L por facilidad de soldadura entre tubos y bridas, la vlvula podra ser de 316 sobre todo si va embridada. En la tabla siguiente se indican los materiales ms utilizados en los cuerpos de vlvulas de control. La codificacin de los materiales se hace con denominacin ASTM que es la ms conocida. Sin embargo, hay su equivalente bajo denominacin europea EN, despus de realizados los pasos del proceso de armonizacin

Materiales ms frecuentes para cuerpo-tapa Cdigo ASTMA 216 WCB A 216 WCC

T de trabajo-29 +425

ObservacionesSon los aceros al carbono ms usados para aplicaciones generales no corrosivas ni erosivas. No usar por encima de 425C pues los carburos se convierten en grafito. El WCC tiene ms MN (1,28%) y es ms soldable adems tiene ms resistencia mecnica que el WCB. Algunos fabricantes lo han generalizado en su catlogo. Es difcil de fundir y soldar. Tiene ms Cr.(5%) y menos Mo.(1/2%) Gran resistencia mecnica en caliente. Usar slo con bridas. Es el ms usado en esta gama de T. Muy bueno para uniones soldadas. 1,25% de Cr. y 0,5% Mo. Material templado y normalizado. Tiene ms Cr(2,25%) y 1% de Mo. En todos los inoxidables la presencia de Ni mejora la resistencia a la corrosin y al calor. El Cr eleva la estabilidad trmica y disminuye el desgaste por abrasin. El Mn mejora la elasticidad. El 316 es el ms generalizado con un muy buen comportamiento para la mayora de los problemas de corrosin. Tambin aguanta bien la erosin y el flashing. Para temperaturas superiores a 425 C usar con C mnimo de 0,04. Ms resistente a la corrosin que el 316. Mas soldable por tener ms C. Adecuado para altas T aunque debe limitarse a 455 C.

A 217 WC5 A 217 WC6 A 217 WC9

+600 +538 +566

A 351 CF8M(316)

-196

+800

A 351CF3M(316L)

-250

+540

A 352 LCB LCC /LF2

-46 -46

+343 +371

Son todos para bajas temperaturas. El LCC es ms resistente que el LCB

L C3/LC

-100/115 +340

El LC4 tiene una temperatura de transicin (cambio de fractura tenaz a frgil) ms baja.


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Hay otros aceros ms especficos temperaturas.

para afrontar

particulares casos de corrosin altas

ASME/ASTM A 217 C12 A es un Cr. Mo. Con 9% de Cr., 1% de Mo. Vale hasta 649 C. [EN1.4931] A 351 CF3 (304L) es el ms recomendado para Ac Ntrico. (1.4309) ASTM-B 649 Conocido como 904L (20%Cr, 25%Ni, 4,5% Mo.) Usado para aguas salobres con altos porcentajes de cloruros. Resistente tambin a los cidos., como el fosfrico. ( Equivalente DIN 1.4536 fundido; 1.4539 forjado) ASTM A-351 CG8M es un Inox. conocido como 317 que se usa en la industria del papel. El incremento de Mo sobre el 316 lo hace ms ser resistentes a los restos de compuestos clorados. Los aceros duplex se caracterizan por contener 40-60% austenita y 60-40% ferrita aproximadamente. Se usan para agua de mar y salobres.

ASTM A 479 (UNS S 31254) Es el conocido como 254 SMO para agua de mar. ASTM A 351 CK3MCuN fundido. Con 6% mnimo de Mo. Superaustenitico.

- Tornillera El conjunto cuerpo-tapa forma el recipiente y es acoplado mediante una tornillera (boltling) Por tanto, en atencin a su buen diseo, se deber cuidar y establecer una buena seleccin de la tortillera, bsicamente afectada por la temperatura de trabajo y la resistencia mecnica. Materiales para la tornillera

Mat. CuerpoAc Carbono Ac Cr. Moli. Baja T Inoxidables austenticos

EsprragosA-193 Gr. B7 (1.7225) A-193 Gr B16 A-320 Gr L7 A-193 Gr B8M A-193 Gr. B7M expuesta A-193 Gr. B7 No expuesta

TuercasA-194 Gr. 2H A-194 Gr 7 A-194 Gr 7 A-194 Gr 8M A194 Gr.2HM A-194 Gr. 2H

Temperatura C- 40 0 -100 +454 +510 +510

-196 para T inferior hacer prueba impacto. Aplicaciones NACE MR.01- 75

- Materiales para rganos internosObturador asiento- vstago Para un diseo Standard duty, en vlvulas tipo globo simple asiento, el material bsico de obturador y asiento es el inox. 316 410/416. El 316 tiene un buen comportamiento corrosivo para la mayora de los fluidos aunque es algo blando para presiones diferenciales moderadas. A partir de 8 - 10 bar. se puede endurecer superficialmente mediante aportacin de stellite-6 bien en los cantos de cierre (estellitado en cantos) tambin en algunos casos totalmente recubriendo todo el perfil, (estellitado total). Depender de la agresividad del fluido y de presin diferencial.


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Las aportaciones de stellite-6, tambin llamado Alloy-6 en base cobalto, pueden ser sensibles en presencia de altas concentraciones de Aminas Hidracina, con corrosin en la interfase de las aportaciones con el material base 316. Esto podra ocurrir en algunas partes del sistema agua de alimentacin en las centrales electricas, no siempre. Como alternativa se utilizan tambin los aceros martensticos de la gama 400, 410, 416, 420 y 440-C. Tienen mayor dureza (35 58 Rc) por lo que pueden sustituir en muchos casos al 316+stellite, por lo menos en tamaos hasta 3 Hay que tener en cuenta que la dureza baja a partir de 350C aproximadamente en todos los aceros. El tipo 440-C (ASTM A-276) se usa en obturadores y asientos sometidos a grandes presiones diferenciales siempre por debajo de 427C. Dureza 55 58 Rc que decae a partir de los 400C. El 17-4 PH (ASTM-A564,Gr. 630) es un inoxidable endurecido por precipitacin que tiene varios grados de tratamiento trmico: Condicin H-900 Dureza de unos Condicin H-950 Condicin H-1075 44 Rc. 36 33

Un nuevo material para alta temperatura del trim es ASTM-487 Gr. CA6NM con excelentes propiedades me responde al cdigo F6NM. Se usa en obturadores y jaulas de trims equilibrados. Vlido hasta 565C. La versin forjada responde al cdigo F6NM. Para fluidos altamente corrosivos se usa el Monel con diferentes durezas entre obturador y asiento: Monel-400 (ASTM B-564) [N 04400]; Monel 500. Tambin el Hastelloy-C (ASTM B-564) [N 06022]. Las vlvulas de mariposa pueden ir con cuerpo recubierto de diversas calidades de elastmeros e incluso de tefln. Adems de evitar la corrosin se consiguen mejores calidades de cierre. Tambin ahora hay cuerpos de vlvulas de bola, y globo con obturador rotativo rotary plug, con cuerpo recubierto de PFA, Halar, tefln. Trim con Jaulas de guiado En el caso de diseos guiados por jaula, las jaulas realizan una doble funcin. De una parte guan el obturador y de la otra son una pieza intermedia entre tapa y asiento, comprimiendo este. En estos diseos se tendr en cuenta el efecto de las dilataciones por temperatura, posible existencia de choques trmicos, etc. Pero adems las diversas configuraciones de las jaulas afrontan los efectos de la estrangulacin del fluido. Es aqu donde hay que controlar y limitar la velocidad y luchar contra la cavitacin y el ruido adems de resistir la corrosin. Cada fabricante deber seleccionar y garantizar el material ms adecuado teniendo en cuenta todos los factores antes expuestos. La superficie interna de la jaula juega un papel importante en la estanqueidad del trim, debern ser superficies pulidas y endurecidas que faciliten la funcin de guiado y estanqueidad de las juntas segmentos de cierre. Vstago (stem) en caso de vlvulas de globo Hay que distinguir entre vstago alternativo (stem) y rbol, (shaft) para las rotativas. -En el primer caso se valorar el esfuerzo lineal necesario para el cierre de la vlvula a la T de servicio. El material bsico es el 316, despus se usar el 17-4 PH y para alta temperatura el Inconel 600 / 625/ 750, etc. -En las vlvulas rotativas se tendr en cuenta el par torsor del eje ms el esfuerzo de asentamiento en caso de diseos rotary-plug mariposas doble-triplemente excntricas, sin olvidar la adecuada combinacin con el material de los casquillos gua.


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Materiales usados en rganos internosTipo 316 316 L 321 410 416 440 C 17-4PH Stellite - 6 CA6 NM Uranus B6 Hastelloy-CCarburo de Tugnsteno

Equivalencia 1.4401 1.4404 / 4435 1.4541 1.4006 1.4120 / 4005 1.4124 (Z12C13) Z6CNU17.04------H-900 ------H-1075 Alloy-6 Z5ND13.04 1.4539 ASTM A 494 Wolframio

DUREZA aprox. 163 Br (14 Rc) 150 170 Br. Similar 316 35 40 Rc 35 40 Rc 55 58 Rc 44 Rc 33 40 45 Rc 32 Rc Similar al 316 23 Rc 67 72 Rc

- Criterios practicos de seleccin de materialesEn cuanto al cuerpo ya hemos dicho que, siendo el cuerpo prolongacin de la tubera y estando en contacto con el fluido, el material de cuerpo-tapa debe ser adecuado para resistir las caractersticas del fluido, su agresividad mecnica y qumica. El material y tamao tendr en cuenta adems la temperatura del fluido( de diseo) y la velocidad. En cuanto a los internos, esto es, el trim, es ms complicado pues depender de varios factores: Corrosin del fluido y/o presencia de partculas abrasivas Presin diferencial. Nivel de cierre requerido. Funcin de la vlvula Diseo y tamao del trim Esfuerzo necesario -en los vstagos Tipo de guiado

Todas estas variables y otras que debe tener presente el ingeniero de instrumentacin permitirn llegar a una seleccin final. En la tabla siguiente se facilita una gua que no pretende ser completa RECOMENDACIONES PRCTICAS PARA SELECCIN DE MATERIALES DEL TRIM

DERRAMES SUBCRITICOS Lquidos, Gases y Vapor de Agua En general podran ser en Inox. 316, 410-416 hasta unos 10 bares de delta-p aprox. Aceros ms duros para mayores perdidas de carga y/o experiencias conocidas por abrasin, corrosin, etc


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DERRAMES CRITICOS:

Lquidos con cavitacin

a) Cuerpo: El que corresponda. Velocidad de salida con criterio ms Conservador. b) Trim: 1- Materiales duros 410-416; 316+stellite total; 440-C; Ca6 NM 2- Diseo control de cavitacin. 3- Diseo anticavitacin con alto Fl adecuado factor sigma Lquido en flash

DERRAMES CRITICOS:

a) Cuerpo : Velocidad: Mejor sobredimensionar siempre el cuerpo. En funcin de prdida de carga: Hasta 15-20 bar. podran ser Ac. Carbono. De 20 40 cuerpos aleados Cr. Mo. Inoxidable, FT A partir de aqu cuerpo angular aleado con camisa de proteccin en salida. FTC. b) Trim: Materiales duros: Serie 400 estellitados.

DERRAMES CRITICOS para Gases y Vapor de agua a) Cuerpo : Dimensionados para dimetro de salida subsnico. Mach de salida < 1/3 cuando trim sea diseo Lo-dB [ 0,33 ] Para servicios no contnuos podra aceptarse: Vapor Saturado: 0,30 Mach para cuerpos de Ac.C. 0,40 Mach para cuerpos de Inox. Cr.Moli. Vapor recalentado y gases limpios: 0,40 Mach para Ac. C. 0,50 Mach para Inox. Cr. Moli. b) Trim: Materiales duros serie 400 estellitados, sobre todo en vapor de agua.

- Presin nominal ( Rating- PN) y ConexionesUna vez elegido el material de cuerpo, compatible y adecuado al fluido, se define la presin nominal (PN Rating), es decir el espesor y medidas bsicas del cuerpo- tapa para soportar la presin interna del fluido a la temperatura del mismo. Tngase presente que el rating PN se define a partir de la presin/temperatura de diseo que vendr establecida por los ingenieros mecnicos en funcin de criterios con que se disea la instalacin. No se toman las condiciones de trabajo para definir el rating, estas estarn por debajo siempre de las de diseo. Las normas de referencia ms usadas son: ANSI B 16.34 e ISO 7005 DIN- 2401 La norma ANSI est muy utilizada en muchos pases fuera de USA. Para cada material se establece unas tablas que indican la presin admisible en funcin de una escala de temperaturas, eligiendo as la clase que va desde 150lbs. hasta 2500lbs. En este caso los aceros vienen definidos segn cdigo ASTM.


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La presin nominal, PN, es el sistema ISO europeo, antes DIN. Aqu tambin se define el PN para cada material pero bajo denominacin EN 10213. La designacin PN es nominalmente la presin mxima de trabajo en fro, expresada en bares. As, por ejemplo, una vlvula ISO-PN-16 soporta 16 bar. A 120 C. A medida que aumenta la temperatura, su resistencia disminuye.

En un proceso de seleccin no se pueden mezclar unos aceros bajo cdigo ASTM con unas tablas curvas de rating ISO, ni viceversa.Otras normas como la ISA S75, define la distancia entre bridas de cada tipo de vlvula, tanto para conexiones roscadas, soldadas, embridadas, wafer. No hay una equivalencia directa entre ANSI/ASME e ISO (DIN). A titulo informativo, desde el punto de vista del rating slamente, (no en sus medidas), ISO 7005-1 da una equivalencia en las bridas de conexin: Clase 150 300 600 PN-20 PN-50 PN-110 Clase Clase 900 1.500 PN - 150 PN - 260

Conseguir esta equivalencia puede obligar a modificar los modelos de fundicin Special Class. Hay unas tablas de rating dentro de las normas ANSI/ASME para clase especial. La clase especial requiere la realizacin de ensayos no destructivos y normalmente se usa para vlvulas con uniones soldadas. La reparacin del cuerpo en fase de fundicin ser de acuerdo con ANSI B 16.34, Seccin-8. Los ensayos a realizar seran: Cuerpos fundidos : - Radiografas en zonas crticas. -Tintes en zonas mecanizadas. Cuerpos forjados: Ultrasonidos en cuerpo-tapa. Tintes en zonas mecanizadas.

Para la seleccin del rating-PN se pueden usar tablas curvas. Las curvas siguientes son antiguas y meramente indicativas muestran las diferencias de una norma respecto a otra. Para cada material, con una presin y temperatura de diseo , se define un ratings PN.


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Ratings intermedios. Hay unos ratings menos conocidos y usados, bajo ASME. B 16.34 Por ejemplo: Para 2 Entere 900-1500lbs. hay un intermedio de 1.690lbs Para 4 1500lbs podra haber tambin 2.107lbs

- Cierre obturador asiento - estanqueidadLo propio de una vlvula de control es que est regulando en un punto intermedio de su carrera por lo que no se le pide una estanqueidad como la que debe garantizar una vlvula de aislamiento bloqueo cierre. Sin embargo cada vez se le exige ms a la vlvula de control, tanto en situacin de cierre por fallo de aire como en otras aplicaciones donde la accin sea la contraria.


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Expresiones como vlvula estanca, dead tight, fuga cero, por ejemplo son frases vagas que en realidad buscan lo mejor pero sin definir cmo. No hay un cierre absolutamente estanco. Por tanto, para evitar situaciones ambiguas, se definieron unas condiciones de prueba y as concretar los niveles de estanqueidad que tienen que conseguir los fabricantes de las vlvulas. La norma FCI-70-2, del Fluid Controls Institute fue la primera que fue rpidamente asumida por ANSI B 16.104 y ahora es conocida como ANSI/FCI 70-2. Es la ms extendida y utilizada por los fabricantes de vlvulas de control. Otras normas pueden ser DIN / EN-1349, DIN-3394 y 3230, IEC-534-4, BS-5146, API-598, MSSSP 61, aunque esta ltima norma no es para vlvulas de control a veces es requerida su aplicacin cuando un servicio muy severo lo exige. El nivel de cierre supone un coste bastante significativo, por lo que el ingeniero de control debe valorar adecuadamente que nivel de estanqueidad es el se precisa en cada punto de aplicacin sin elevar esta exigencia innecesariamente. La norma ANSI/FCI 70-2 establece seis niveles de calidad de cierre, del I al VI. y las diferentes condiciones de prueba para certificarlos.

Clases de fuga segn ANSI/FCI 70-2Clase Prueba Fuga admisible(1)

I II

III IV V

Las pruebas y fuga se definen entre fabricante y usuario Aire agua 10-50C y una presin 0,5% capacidad La presin se aplica a la entre 3-4 bar. Normalmente se nominal vlvula con el obturador hace con aire a 3,5 bar cerrado por el actuador a su alimentacin requerida. Idem. 0,1% cap. nominal Idem. Idem. 0,01% cap. nominal Idem. 0,0005 ml./min. por Llenar el cuerpo de agua; aplicar *Agua 10-50C a la presin pulgada de dimetro presin de prueba, cuando el lquido diferencial real de trabajo *Aire-Nitrgeno a 3-4 bar-g-----Aire nitrgeno a la presin Las burbujas por Las burbujas se medirn diferencial de trabajo 3,5 bar, la min. y ml/min. de la usando un tubo de que sea menor. tabla VI. 5,7mm.dimetro interior sumergido perpendicular en agua entre 3-6 mmasiento por psi de presin de fuga se ha estabilizado recogerlo diferencial. en una bureta durante al menos 3 4,7ml/min. Por cada minutos. pulgada de di. orificio

VI

(1) Los valores (en %) son una indicacin aproximada del % de la capacidad nominal de la vlvula Cv. No coinciden con las tablas que establece la norma.

La fuga depende de: - La presin diferencial. - La densidad del fluido. - La viscosidad absoluta. Y tambin se sabe que es funcin del cubo de la altura entre las rugosidades de la zona de contacto.


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Esta tabla da los valores de fuga para una Clase- IV en funcin de los Cv nominales de cada vlvula que se trate. (Consultar siempre la ltima versin de la norma)

Otro factor decisivo para minimizar la fuga es determinar con sumo cuidado el esfuerzo adicional de asentamiento que debe proporcionar el actuador en el momento del cierre. Es muy significativo que los valores de fuga decrecen cuando conseguimos un esfuerzo de asentamiento que llegue al punto de deformacin del material yield point del material. Es por tanto muy importante calcular los actuadores para que den este esfuerzo, tanto si son aire cierra como si son muelle cierra. Esta fuerza adicional debe ser una carga libre en la zona de contacto, una vez vencida cualquier otra resistencia friccin que tanga la vlvula en guas, estopada, adems de la presin diferencial.

Estanqueidad exterior: Juntas y EstopadasJunta tapa-cuerpo En las vlvulas de tipo globo con vstago alternativo, la junta tapa-cuerpo sella esta unin. Debe elegirse teniendo en cuenta las condiciones de presin y T. Normalmente son espiro metlicas. Estopadas Cualquiera que sea el tipo de vlvula, lineal rotativa, la zona de salida del vstago ir sellada a fin de anular la saluda de producto. Las caractersticas exigibles a una buena estopada son: -Buen cierre -Baja friccin. -Que no sea abrasiva. -Larga vida. -Fcil sustitucin -Resistente al fluido. -Resistente a la temperatura. -Mejor si es auto ajustable.

Lo normal es la empaquetadura con anillos de tefln que puede ser puro con fibras (Kevlar, Aramida,....) no amianto. Tambin se pueden poner anillos de grafito que introducen mucha friccin.


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Para mejorar el sellado se pueden aadir juntas tricas en el casquillo apriete de la estopada consiguindose excelentes estanqueidades. Las tricas pueden ser de Viton, EPDM, Fluorosilicone, Fluorocarbon, Kalrez, etc.

Cada fabricante disea la altura de sus tapas y el dimetro de los vstagos. En funcin de esto se coloca la empaquetadura. Se ha comprobado que aumentar el nmero de anillos no mejora proporcionalmente la estanqueidad. Los tres primeros anillos son los que se comprimen, a partir del cuarto-quinto apenas hay deformacin, por lo que seran innecesarios. Esto depender de la evolucin tcnica que aporten los fabricantes de estopadas. A fin de mantener una presin de apriete controlada y constante sin tener que acudir a aprietes que pueden perjudicarla, se aaden resortes, bien en el casquillo en los tornillos de apriete. Hay varias posibilidades. . Para fluido peligroso, ligero y con posibilidades de evaporarse fcilmente, se usan fuelles de estanqueidad. Los fuelles se fabrican de acero inoxidable, Monel, Hastelloy, etc.

Sistemas de doble estopada sern aconsejables con un anillo intermedio distanciador que permiten el montaje de un leak-off para extraer la posible fuga y conducirla aun circuito cerrado bien hacer una presurizacin, normalmente con agua a una presin mayor que el fluido de la vlvula, Esto se hace en algunas vlvulas que trabajan a vaco.


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4- ACTUACION Y POSICIONADORES - Tipos de Actuadores Bsicamente podramos hacer la siguiente clasificacin:

Lineales Neumticos Rotativos Elctricos (Lineales / Rotativos) Hidrulicos (Lineales / Rotativos)

Simple Efecto Doble Efecto

- Actuadores neumticosEn general, y a fin de cumplir exigencias de posicin segura por fallo del fluido motor, la mayora de los actuadores son de simple efecto y de ellos, el mayor nmero, corresponde a los actuadores neumticos de membrana resorte. Solamente para grandes tamaos y/o grandes esfuerzos y carreras se usan los pistones neumticos. Los actuadores de membrana resorte responden al los diseos que aparecen en la figura siguiente.

Actuadores neumticos de columnas fundidos, con uno varios resortes.

Estos actuadores neumticos, por lo general construidos por el propio fabricante de las vlvulas, son unidades sencillas, econmicas y fiables. De fcil comprensin y mantenimiento. Tienen adems excelentes prestaciones de regulacin no siendo desplazados an por ningn otro diseo. Un actuador neumtico en servicio, debe ser lo suficientemente fuerte para: 1. Soportar los esfuerzos dinmicos que produce por el fluido al circular por la vlvula. 2. Los esfuerzos estticos en el momento de cierre y adems de responder adecuadamente a la seal de control, en tiempo y precisin, venciendo todos los esfuerzos de rozamiento mecnico existentes en el trim, vstago, estopada y los del propio actuador.


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Los factores a tener en cuenta en el clculo son a-rea efectiva de membrana b-Carrera. c-Gama del resorte (terica). Constante del resorte (rigidez) d-Presin de accionamiento necesaria a)- rea efectiva El rea efectiva depende del plato soporte, del diafragma, de la carrera del servo y, en menor medida, de la deformacin de la membrana a lo largo de su desarrollo. ( dimetro del pistn)

b)- Carrera. Los diseos ms modernos buscan reas prcticamente constantes y as losesfuerzos tiles sern ms uniformes. c)-Gama de resorte La gama terica se define como la diferencia de presin que hay que aplicar en vaco- a un actuador para que realice la carrera completa de la vlvula. Es la diferencia entre la presin terica final menos la presin terica inicial. Hasta hace pocos aos, la presin terica inicial era de 3 psi. (0,21 kg/cm2) valor a partir del cual empezaba a moverse el vstago, siendo la presin terica final de 15 psi. En la actualidad los nuevos actuadores neumticos trabajan con gamas distintas a la inicial 3-15 psi pudiendo verse especificadas por los fabricantes gamas 3 9; 6 24; 11 30; etc. Ajuste del resorte. Hay actuadores que permiten, mediante un tornillo tensor, ajustar el resorte a fin de desplazar a conveniencia el valor de presin inicial final. La gama standard slo sirve para mover el diafragma de una presin a otra sin producir fuerza adicional para contrarrestar las fuerzas de desequilibrio.

Un actuador debe ser lo suficientemente rgido para que la vlvula sea estable en toda su carrera. Esta estabilidad exige que las variaciones de esfuerzos sobre el obturador sean menores que la variacin de fuerza del actuador, cuando estas actan en el mismo sentido, es decir, que el actuador pueda con la vlvula. Las vlvulas no equilibradas de globo simple asiento pueden ser estables cuando el fluido tiende a abrir el obturador. No lo son tanto cuando con el fluido tiende a cerrar. Hay que estudiar con mucho cuidado la seleccin del actuador en este caso. d)-Presin de accionamiento. Es la presin de aire necesario, no solo para mover el vstago sino tambin para conseguir del actuador toda la fuerza que requiera la vlvula. La presin de alimentacin depende de: -Esfuerzo de asentamiento para garantizar el grado de estanqueidad obturador asiento requerido (Clase III-IV-V-VI) -Friccin de estopada, resistencias mecnicas. -Fuerzas de desequilibrio: esfuerzos estticos y dinmicos del fluido. -Gama final del resorte


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Muy raras veces esta presin de alimentacin alcanza la presin de la lnea de instrumentos que suele estar en los 6-7 kg/cm2. La presin de alimentacin necesaria la fija el fabricante en funcin de los anteriores factores. Accin del actuador. Se consideran las siguientes: Accin directa -------Con Aire Cierra --------Normalmente vstago baja. Accin inversa-------Con Aire Abre ------- vstago sube. El esfuerzo de asentamiento es la carga adicional que comprime el obturador contra el asiento sin contar el efecto del fuelle si lo tuviere. Se requiere esta fuerza adicional para conseguir la estanqueidad especificada. Hay que valorar la friccin de la estopada y todas las resistencias mecnicas. Los esfuerzos de rozamiento por friccin de la estopada que se puede considerar dependen del tipo de estopada y dimetro del vstago fundamentalmente. La tabla siguiente da estos valore para clculos sencillos. Dimetro vstago obturador (vlvulas hasta 4 aproximadamente) (vlvulas 4-10 aproximadamente) Estopada de PTFE 15 lb. 32 lb. Estopada de grafito 75 lb 160 lb

Las estopadas de grafito tienen una mayor friccin que hay que tener en cuenta al dimensionar el actuador. Fuerzas de desequilibrio, esfuerzos estticos y dinmicos. De una parte la circulacin del fluido ejerce unos esfuerzos sobre el trim cuya resultante depende del tipo, diseo y sentido de circulacin. De otra parte habr una componente esttica a vlvula cerrada. Todas ellas deben ser vencidas y soportadas establemente por el actuador.

- Cilindros neumticos.Los cilindros pistones pueden ser de simple doble efecto. Se usarn cuando necesitamos grandes carreras, superiores a 100mm., combinadas con esfuerzos de importantes y velocidades de operacin altas.

Los pistones requieren vstagos adecuados, resistentes al pandeo cuando sean carreras largas. Suelen trabajar a presiones de alimentacin mayores para poder usar menores dimetros que los de membrana-resorte. Esto hace que los segmentos de cierre del pistn deban ser totalmente estancos y compatibles con aire seco, sin nada de grasa lubricante.


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Los cilindros de doble efecto requieren un posicionador de doble salida. No garantizan la posicin por fallo de aire salvo que se ponga un tanque auxiliar de aire con una capacidad tal que permita una dos maniobras a fin de garantizar que por fallo de aire la vlvula vaya a una posicin segura previamente fijada.

- Actuadores para vlvulas rotativas.La primera solucin adoptada fue seguir usando los actuadores lineales conocidos y transformar, mediante una palanca, el movimiento lineal en un ngulo de giro. Esta solucin, tiene el inconveniente que se aumenta los rozamientos en el eje del actuador que acta sobre el rbol de la vlvula, el cual trabaja como una viga empotrada en un extremo, (sobre todo en vlvulas de mariposa con eje partido) lo que se traduce en mayores holguras mecnicas en zona de estopada y tambin en todas las articulaciones. Todo ello conduce a lo ms indeseable en una vlvula de control: la banda muerta.

Diseo antiguo

Diseo ms moderno

Posteriormente se han desarrollado actuadores lineales con membrana desenrolladle y vstago oscilante que transfiere toda su fuerza directamente al rbol sin fricciones con menos articulaciones intermedias. Ntese tambin que el eje de la mariposa es de una pieza y va completamente apoyado y guiado en tres puntos. Estos diseos se usan en vlvulas de mariposa y sector de bola con excelentes Cv ratio (rageability), superiores a 100:1. -Pistones rotativos Hay numerosos diseos que fueron usados inicialmente en vlvulas on-off. De todas formas no deberan usarse actuadores todo-nada para convertirlos en modulantes slo por la adiccin de un posicionador. El actuador de control, de cualquier tipo que sea, debe estar concebido para control. Lo importante es analizar cmo es el esfuerzo de par que se obtiene sobre el rbol de la vlvula y por otro lado el nivel de friccin y holguras que pueden tener. Los pistones, como puede verse en la figura dan esfuerzos ms altos, aunque pueden variar a lo largo de la carrera segn se el diseo de la articulacin. La friccin es tambin alta, en general debido a los rozamientos del vstago y pistn. Las articulaciones darn lugar a ms holguras con el tiempo. Lo deseable es conseguir un esfuerzo lo ms uniforme a lo largo de la carrera con la mnima friccin. Esfuerzo y friccin en actuadores de pistn :


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- Actuadores ElctricosEl motor elctrico puede ser de cualquier tipo aunque sean ms frecuentes de corriente alterna. Para potencias y esfuerzos pequeos pueden ser monofsicos; permiten una inversin de giro ms simple sin contactores. A partir de aqu se usarn trifsicos con un inversor, mejor esttico, para que girando a derecha e izquierda, haga subir o bajar el vstago de la vlvula. Este arrancador inversor puede ir localmente sobre el actuador en el centro de control de motores. El sistema de reduccin consta de una corona dentada conectada a un tornillo sin fin que recibe el movimiento reducido- del motor. Un mismo modelo / tamao de actuador puede equipar varios juegos de reductores con distintas relaciones de transmisin, con lo que al final se consiguen el par y las velocidades requeridas en el vstago. La corona y el sinfn se mecanizan con un perfil de rosca adecuada a la transmisin de potencia, normalmente rosca ACME del tipo trapecial mtrica u otros perfiles similares. El giro de la corona se transforma en movimiento lineal a travs del vstago roscado. Hay que disponer de un sistema anti giro. Limitador de par. As como en un actuador todo-nada el motor se desconecta elctricamente mediante el ajuste de dos micros de final de carrera, abierto / cerrado, en un servomotor elctrico para control se desconectar el motor cuando haya transferido toda la fuerza necesaria de asiento al obturador para conseguir la calidad de cierre especificada, Clase III-IV-V.... Cuando la corona arrastra el husillo, este comprime el resorte del limitador de par hasta un punto previamente seleccionado en el que conmuta el final de carrera que para el motor. El fabricante de la vlvula debe indicar cual es ese esfuerzo mximo necesario pues conoce su vlvula y las necesidades de asentamiento. Debe obtenerse este esfuerzo necesario pero no mucho ms, pues hay limitaciones en la resistencia mecnica de los vstagos u otros elementos de la vlvula.

Actuador elctrico y electrohidraulico

La operacin de un actuador elctrico para control se har con una seal analgica, normalmente 4-20 mA., bien por un tren de impulsos. Si es con seal analgica esta deber transformarse en una orden para hacer girar el motor a derecha izquierda.


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Este transformador analgico a impulsos permite el ajuste del cero y del span (gama), como si de un posicionador electro neumtico se tratase. Va alojado en el propio actuador. Los actuadores elctricos tambin pueden ser rotativos de cuarto de vuelta para actuar directamente vlvulas rotativas como mariposas, bola e incluso rotary-plug.

Los actuadores electro hidrulicos para control constan de un depsito de aceite con bomba de presurizacin, su pistn hidrulico y los circuitos adecuados para desarrollar las prestaciones de regulacin exigibles al servomotor. Normalmente. Excepto para grandes esfuerzos para la actuacin de varias vlvulas al mismo tiempo, el depsito de aceite y la bomba estn dentro de la misma carcasa del actuador. El motor elctrico acta la bomba de aceite que la enva a un pistn de simple doble efecto. El extremo del vstago del pistn se acopla al de la vlvula. Se consiguen grandes esfuerzos, de unos 5.000 kp. a una velocidad de 100 mm/seg. El posicionador electro hidrulico, toma el movimiento del vstago y lo compara con la seal de mando (4-20 mA), enviando el aceite a la parte anterior posterior del pistn. Este tipo de actuadores se usan cuando no hay aire disponible, se precisan esfuerzos grandes en tamaos de vlvula y tambin grandes carreras.

- Seleccin de Actuadores.En la seleccin de actuadores se concretar lo siguiente: Neumtico, elctrico hidrulico. Tipo: Simple / Doble efecto; Membrana resorte pistn. Presin de aire aceite energa disponible. Tamao, en funcin del esfuerzo. Carrera. Tiempo de maniobra. Posicin por fallo de fluido motor fallo de seal. Accesorioos

Resumen de caractersticasVer tabla siguiente:


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Neumticos de diafragmaNeumticos de pistn resorte -Simplicidad de diseo y mantenimiento. -Econmicos. -Vlidos en general, hasta 100mm de carrera. -No precisan clasificacin para reas peligrosas. -Buena respuesta dinmica - Admiten muchos accesorios. -Mando manual simple. -Grandes esfuerzos. -Ms presin de maniobra. -Aptos para grandes carreras. -Ms caros. -Buena velocidad de respuesta. -Mando manual ms complejo, normalmente hidrulico Para lugares aislados donde no hay aire. -Grandes esfuerzos y carreras. -Slo en algunos diseos, los elctricos, y para tamaos muy pequeos pueden ir a posicin segura. -Necesitan proteccin elctrica en reas peligrosas. -Respuesta ms lenta, en los elctricos. -Precio elevado -Mantenimiento costoso Elctricos / hidrulicos

-Garantizan posicin -Garantizan posicin segura segura por fallo de aire por fallo de aire

- PosicionadoresLas fuerzas de desequilibrio que actan en la vlvula influyen en la posicin del vstago y hacen que el control (respuesta) pueda ser imprevista. Estas fuerzas son: 1 2 Estticas y dinmicas del fluido sobre el trim. porcentaje de carrera. Dependen de la delta-p de trabajo y

Rozamientos en empaquetadura, guiado e incluso los del propio actuador, segn diseos.

Todas estas fuerzas se compensan con el posicionador que acta como un controlador proporcional de posicin con un punto de consigna variable, (seal) procedente del controlador. Con el posicionador verificamos, mediante la toma de movimiento mecnica del vstago, que la vlvula se posicione en el lugar que al % de seal le corresponde. As tendremos la seguridad de seguir las demandas del controlador. Si no se alcanza esa posicin del vstago, el rel neumtico aumenta disminuye su presin de salida hacia la cmara del actuador hasta que lo consigue. Adems, a final de escala, si el actuador es directo, el posicionador transfiere al actuador toda la presin de alimentacin que el fabricante haya recomendado para cada vlvula en particular, normalmente muy por encima de la tensin final del resorte. Esta presin de alimentacin debe figurar en la placa de caractersticas de cada vlvula. Se ajusta con el reductor alimentacin aire de instrumentos.


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Principio de funcionamiento de un Pos. electro neumtico bsico

Los posicionadores electro neumticos renen en un solo aparato la funcin convertidora y posicionamiento de la vlvula. En el esquema bsico adjunto se ve cmo las variaciones de seal que llegan a la bobina, comparadas con el movimiento del vstago a travs del resorte de equilibrio, liberan ms menos aire en el sistema lengeta-tobera y esto, amplificado por el rel neumtico se trasforma en una seal de salida hacia el actuador. [ Ahora, adems del clsico sistema lengeta-tobera, se usan tambin micro vlvulas, spool, rels, etc.] Los posicionadores no slo compensan los esfuerzos antes mencionados si no que, actuando como amplificadores de caudal de aire al actuador y reducen el tiempo de maniobra con lo que se mejora la respuesta de control. El empleo de posicionadores hoy est generalizado pero es necesario en lazos de control de temperatura, donde hay ms inercia y son procesos con reacciones lentas. Tambin son necesarios en lazos de rango partido aunque ahora tambin se hacen desde el sistema de control. Los posicionadores pueden ser de accin directa inversa, es decir: Directos: Incrementos de seal de entrada producen incremento seal de salida neumtica hacia el actuador. Inversos: Incrementos de seal de entrada producen disminucin en la salida neumtica. En los sistemas electrnicos actuales, la inversin de seal es posible hacerla en la salida del controlador. En general es mejor que todos los posicionadores sean directos para que el instrumentista trabaje siempre, a pie de vlvula, con seales crecientes.

Operacin de una vlvula con actuador y posicionador Consideremos una seal de control 4-20 mA. para gobernar una vlvula mediante un actuador tipo membrana-resorte con accin aire cierra, a travs de un posicionador electroneumtico. La seal 4-20 mA. vence la tensin del resorte en toda su gama, por ejemplo si el actuador tiene 3-15 psi de rango, empezar a moverse con 4 mA. y terminar con 20 mA. y una seal de salida neumtica de 15 psi. 3 psi Tensin inicial 4 mA 15 psi Tensin final 20 mA


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A partir de este momento el posicionador deja abierta la salida neumtica para que le llegue al actuador toda la presin de alimentacin y as alcanzar el esfuerzo de asentamiento que le permite soportar toda la presin diferencial y conseguir la calidad de cierre especificada, IV, V VI. Cmo lo hace? Depender del diseo del posicionador. Los que tengan lengeta-tobera, cierran la tobera y as todo el aire pasa al actuador-amplificado a travs del rel neumtico. Los de tipo cilindro distribuidor, (spool pilot valve) posicionan el cilindro piloto para que le llegue la presin de alimentacin al actuador. Algunos posicionadores electrnicos por micro vlvulas requieren programar esta funcin de forma especifica a fin de escala-carrera. Si el actuador es aire abre, en este caso no se precisa el aire para que la vlvula soporte la presin diferencial y haga el cierre. Lo har la tensin inicial del resorte (muelle cierra) Por eso se ponen muelles de tensin inicial alta: 6-30psi, 11-30; 21-45; etc. Los posicionadores se alimentan normalmente unos 5 psi por encima de la gama final del resorte resortes: por ejemplo, para un resorte 6-30psi, la alimentacin sera unos 35 psi. Caracterizacin de la seal. Algunos posicionadores permiten la caracterizacin de la seal neumtica de salida al actuador. Los posicionadores neumticos antiguos eran siempre lineales, es decir, la relacin seal de entrada salida era lineal. Ya en los aos 60 aparecieron los primeros diseos de posicionador con levas con las que se podan conseguir distintas caractersticas e incluso hacerse una a voluntad. De lo que se trata es de modificar la relacin seal carrera La calidad operativa de un posicionador viene dada por dos factores fundamentales: - Alta sensibilidad. - Tiempo de respuesta bajo. Ambas cosas implican una buena ganancia del posicionador: Gp =

%carrera % seal

A su vez esta ganancia tiene dos componentes: Ganancia esttica y Ganancia dinmica Ganancia esttica.- Tiene relacin con la sensibilidad del sistema del posicionador para convertir los pequeos cambios de seal de entrada (movimiento del vstago) en una seal de salida neumtica. Ganancia dinmica.- Una vez que esta pequea variacin de seal es detectada, el posicionador debe ser capaz de hacer que la vlvula se mueva rpidamente para corregir la variable, como se le pide en ese momento. Debe suministrar instantneamente una gran cantidad de aire, en volumen y presin, para que el actuador responda adecuadamente en tiempo y con la fuerza necesaria. Esta sera la ganancia dinmica.

POSICIOANDORES INTELIGENTES - InterfasesLa extensin de la tecnologa digital, tanto a nivel de componentes de microprocesadores como en las comunicaciones ha llegado tambin a los posicionadores que puede decirse han dejado su antiguo lugar para elevarse a la categora de interfase inteligente. Los transmisores de campo y los nuevos posicionadores incorporan ya funciones de control local, clculo, auto calibracin y diagnsticos por lo que reciben, con toda propiedad, el calificativo de inteligentes. A su vez, la comunicacin con el DCS, es mayoritariamente con protocolos hbridos, esto es, sobre la seal 4-20 mA va la seal digital. (caso del protocolo HART). Hay tambin protocolos totalmente digitales, como el Profibus el Fieldbus Fundation. SMART Self Monitoring Analysis Reporting Technology HART - Highway Addressable Remote Transducer Por tanto, hay ya elementos (interfases) que responde a esta tecnologa pudiendo ser montados sobre cualquier tipo de vlvula de control ofreciendo algunas de las siguientes prestaciones adicionales.


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- La calibracin, ms correctamente sera una parametrizacin, puesto que ya no se trata del clsico ajuste del cero y span, como en los antiguos. Hay ms cosas que definir, aunque se pueda hacer de forma automtica la primera vez.

En la figura anterior se ve la pantalla general de calibracin de un tipo de posicionador HART, (Cortesa de Masoneilan) Cada una de las 7 pestaas da lugar a nuevas pantallas de trabajo. - Tambin hay posicionadores electrnicos avanzados, no propiamente inteligentes que, no respondiendo a un protocolo digital propiamente, permiten el ajuste de cero y espan, ajustes de ganancia, modificacin de curvas seal-carrera, etc. Opcionalmente podran ser HART, mediante la adiccin de una tarjeta electrnica opcional.

- Otros diseos actan realmente como un controlador sobre la vlvula. Adaptados a una vlvula se puede hacer un auto tune y ajustan inicialmente los valores P+I+D, tpicos de un controlador, ms otros parmetros como el proportional adjusting (padj), para igualar la respuesta aire-abre a la de muelle-cierra; la funcin beta para evitar un overshooting; y tambin el coeficiente compensador de posicin, etc., etc. Un posicionador as identifica y asigna los mejores parmetros a cada vlvula sobre la que va montado.Estos valores que quedan memorizados en la memoria del posicionador - pueden ser modificados posteriormente a voluntad del instrumentista segn lo requiera la configuracin y exigencias del sistema lazo de control. Con estos posicionadotes smart se hace un muy buen tratamiento de la seal de control que redundar posteriormente en una mejor respuesta dinmica de la vlvula a las variaciones de seal. En definitiva reducir la variabilidad del proceso.

Adems de todo esto quedan las prestaciones adicionales de diagnsticos que pueden ser de distintos niveles, segn fabricantes. Hay modelos con capacidad de diagnstico interno del propio posicionador, del actuador (si tienen sensor de presin) y de la vlvula. Depender de cada fabricante y de lo que en cada momento se quiera adquirir. Los protocolos digitales permiten una comunicacin bidireccional desde sala de control y los equipos de campo para enviar mensajes y recibir informacin, siempre que se haya dispuesto de un multiplexor que permitir este dialogo desde el DCS.


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Comunicacin digital entre instrumentos de campo y sala de control

Si no es as hay tres formas de acceder a cada interfase-posicionador de vlvulas: 1. Mediante botonera local y display (no todos los posicionadores lo tienen) 2. Mediante el comunicador porttil Handheld. 3. Mediante un software en PC porttil y un modem de conexin. Con cada uno de estos sistemas se tienen niveles distintos de prestaciones, siendo el ms completo el tercero que posibilita todas las posibilidades de: 1. Placa de caracterstica virtual. 2. Auto calibracin 3. Auto tune de funciones complementarias. 4. Caracterstica. 5. Cierre de la vlvula a partir de una carrera mnima. 6. Ajuste de topes de funcionamiento alto-bajo, por software. 7. Acciones Directa e Inversa. 8. Mostrar posicin de vlvula., etc. Despus de una calibracin en fbrica, todos estos datos iniciales quedan almacenados en la memoria virtual no voltil del posicionador. Tambin se pueden volcar en un disco externo de memoria. A nivel de diagnsticos se puede obtener informacin sobre: - Nmero de ciclos realizados (carrera). - Tiempo de vlvula abierta, cerrada, prxima a un % del cierre, - Error de posicin y de presin mediante sensor de presin al actuador. - Fricciones

- Dibujar la carrera de la vlvula, valve signature firma, segn modelos.- Respuesta dinmica a un escaln de seal. Muy importante. - Otras prestaciones segn modelos. Se deber analizar con detalle la informacin de cada fabricante.


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Comparndolos con los datos de salida de la fbrica se pueden sacar conclusiones tendentes a un selectivo mantenimiento preventivo. Muchos de esos datos pueden obtenerse con la vlvula en operacin y otros requerirn el paso momentneo a control manual. De esta forma, en lugar de intervenir en todas las vlvulas durante una parada se har slo en aquellas que lo requieran e incluso se reducen las paradas para mantenimiento. Por otra parte, algunos posicionadotes inteligentes son compatibles con paquetes de gestin si tienen integrado su software en ellos. - Montaje remoto. Algunos de estos posicionadores inteligentes pueden ser acoplados fuera de la vlvula, sobre un soporte. La vlvula se la equipa entonces slo con un transmisor de posicin. El posicionador, seguir gobernando la vlvula a distancia. La distancia mxima recomendada es no superar los 15 -20 metros, que deber confirmar cada fabricante.

-

Controlador de proceso local. Algunos fabricantes incluyen, como opcin, equipar el posicionador con un controlador de proceso local, dentro del propio aparato. La seal del transmisor: presin, nivel, caudal etc. se lleva al posicionador y este har la doble funcin, como si de un lazo de control local se tratase

Esto puede ser particularmente interesante en aquellos lazos lejanos de la sala de control y que no precisen de una intervencin frecuente en la modificacin del punto de consigna no requieran un seguimiento y supervisin constante. - Otros Accesorios Los accesorios ms frecuentes, sobre todo para los actuadores neumticos, son: Transmisores de posicin. Rels neumticos. Reductor de alimentacin Finales de carrera. Limitadores mecnicos de carrera. Mandos manuales. Electrovlvulas.

-Transmisores de posicin A pesar de la implantacin de los posicionadores inteligentes digitales se sigue solicitando por los usuarios una transmisin de posicin con seal de salida analgica 4-20 mA. para informacin de posicin de vlvula en sala de control. Se puede conseguir de varios modos:

-Tarjeta mdulo adicional dentro del propio posicionador un transmisor independiente con otra toma de movimiento del vstago distinta al posicionador. Esto a veces es as especificado por criterio de seguridad.- Rels neumticos.1. De bloqueo enclavamiento. Van acoplados entre salida de posicionador y actuador. Su misin es dejar la vlvula en la ltima posicin en la que estaba regulando cuando se produzca un fallo de aire de alimentacin baje la presin por debajo de un valor mnimo admisible por la vlvula Booster. Son amplificadores de caudal de aire que ayudan a una maniobra rpida cuando se especifica una determinada velocidad de operacin por ser un actuador de gran volumen. Los hay de varios tamaos. Se seleccionen en funcin del tamao del actuador y de la velocidad de operacin que se pretenda conseguir.

2.


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3. 4.

Descarga rpida. (Quick exhaust) Es un accesorio que facilita el venteo rpido del actuador cuando la presin baja de un determinado valor.

En estos ltimos casos no hay que descuidar el tamao del tubing y racores neumticos que tendran que ser sobredimensionados para permitir mayor caudal de aire sin perdida de presin.

- Reductores alimentacin.Todo posicionador ir precedido y alimentado a travs de un mano-reductor con filtro ajustado a la presin de alimentacin reducida que precise el actuador de vlvula. El tamao standard es de NPT pero si fuera necesario por caudal se pondrn mayores bien dos en paralelo. Los mano-reductores renen en un equipo la funcin reductora de presin con un filtro adicional para que al posicionador le llegue el aire completamente limpio. Previamente debe garantizarse unacalidad de aire de instrumentos que normalmente se especifica como limpio, con un valor < a 3 micrones y seco, con un punto de roco 10 C por debajo de la temperatura ambiente. Contenido en aceite < 1ppm.

Posicionador + electrovlvulas + rel de bloqueo + reductor aire

En la figura anterior se ve una vlvula con posicionador electroneumtico, rel de enclavamiento y electrovlvula. Esta electrovlvula permite el paso de la seal neumtica al actuador.

- Finales de carrera. Si se quiere tener informacin de posiciones abierta cerrada de las vlvulas se pueden acoplar: Finales de carrera SPDT DPDT. Detectores de proximidad inductivos. El tipo, tamao, poder de ruptura, etc. debe quedar bien indicado en la especificacin tcnica de la vlvula. - Limitadores mecnicos. Adems de poder limitar por software la seal para recortar por arriba por debajo la carrera, en algunas aplicaciones es mejor colocar limitadores mecnicos en el propio actuador: Bien para que no cierre del todo, por ejemplo vlvulas de combustible a mecheros mantengan una llama piloto, etc. que

Bien que no abra del todo a fin de limitar el caudal. Caso tpico es el de las recirculaciones de bombas donde se ajusta la vlvula a un determinado caudal mximo y no ms. Mandos manuales. Se solicitan cuando no hay by-pass cuando se quiera tener la posibilidad de ajuste manual, fuera de control. Pueden ser laterales, es decir, situados lateralmente en el actuador, superiores.


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Estos ltimos empujan el vstago de forma directa, por esto se usan slo en aquellos casos que tengamos actuadores pequeos con resortes blandos. Cualquiera que sea su diseo debe permitir el movimiento libre de vlvula cuando est regulando.

Volantes manuales laterales y superiores en actuadotes de membrana resorte

- Electrovlvulas. Se intercalan en el tubing neumtico para hacer varias funciones: - Anular (cortar) la seal neumtica al actuador y llevar la vlvula a posicin segura. - Ventear el actuador y permitir que el resorte abra cierre la vlvula. - Maniobras en vlvulas on-off, con actuadores de simple doble efecto. Lo ms corriente es que sean de tres vas. En su seleccin se tendr en cuenta el paso interno a fin de no provocar retrasos en la seal neumtica. Cuando se especifiquen electrovlvulas hay que indicar: Funcin a realizar: excitada con corriente, sin corriente. Presin de aire a manejar. Tensin elctrica de maniobra. Proteccin elctrica de la bobina. Tipo de terminales. Si precisan rearme: manual elctrico.

- Criterios de seleccin y compra En la hoja de datos preliminar, se puede indicar el tipo de actuador preferido: neumtico, de membrana resorte, de pistn, electrico, hidraulico, etc. Dentro de cada tipo, corresponde al fabricante estudiar y ofertar el tamao ms adecuado para cada aplicacin. Puede ocurrir que, aunque se pida un tipo, sea preciso usar otro por necesidades de esfuerzo y/o velocidad de operacin nivel de estanqueidad, tipo de estopada, etc. La accin por fallo de aire, la carrera y el nivel de cierre requerido, as como la presin de aire disponible para la maniobra, condicionan la seleccin. Por tanto. En la hoja de datos de consulta se debern indicar todos estos datos. Su ausencia impiden la determinacin del tipo-tamao. Es responsabilidad el fabricante el clculo y seleccin del actuador. En principio se debe adquirir aquel actuador que cumpla la mejor relacin prestaciones/precio, considerando todos los accesorios requeridos y que vayan montados sobre l. El coste de montaje de estos accesorios puede variar de un actuador a otro y por esto pueden condicionar el proceso de seleccin.


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En la medida de lo posible se atender a un criterio de homogeneidad cuando de un proyecto con muchas vlvulas se trate, pero admitiendo excepciones para aplicaciones especiales que lo requieran.

Datos mnimos para la especificacin actuadores: Tipo ( en general) Posicin por fallo de aire. Presin diferencial mxima de cierre. Nivel de estanqueidad de la vlvula Tiempo de operacin Presin de aire mxima disponible Accesorios


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5- TIPOS DE DERRAME Previamente a definir las frmulas y procedimientos de clculo es preciso analizar los fenmenos que pueden ocurrir en las vlvulas de control al circular un fluido lquido gaseoso y los coeficientes y parmetros que surgen de este anlisis para su posterior aplicacin en el proceso de clculo y seleccin 1 - Derrame con lquidos La circulacin de un fluido lquido a travs de una tubera depende de cuatro factores fundamentalmente, que son: - DN de la tubera (d) - Viscosidad (Vis) - Densidad () - Velocidad (V)

Su combinacin permite calcular el N de Reynolds para una seccin circular, el n de Re sera: Re= V d / Vis = Q d / Vis A Siendo: = Densidad Kg/l. V = Velocidad m/seg. d = dimetro en cm. Vis = Viscosidad dinmica en cp. [cp = Vis. Cinemtica cst. x peso especifico] A = rea (m)El cociente Q/A es la velocidad- V

- Laminar turbulentoLa viscosidad es el factor determinante en valor de Re y definir si el flujo es laminar turbulento. La viscosidad da una idea de la resistencia del fluido a circular debido al rozamiento interno entre las capas del mismo. Los perfiles de velocidad en el interior de una tubera con una pequea restriccin son los siguientes:

Comparacin de perfiles de derrame laminar y turbulento


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En el flujo laminar el perfil de velocidad tiene forma parablica, en el centro de la tubera el fluido avanza casi al doble de velocidad que en las paredes. El caudal aqu es proporcional a la delta-p (p). Q= k x p Por el contrario, en el derrame turbulento, el perfil de velocidad es ms plano, no hay tanta diferencia en el centro y las paredes. Cuando el derrame es turbulento se comprueba que el caudal es proporcional a la raz cuadrado de la p. Q=

P y por tanto, que la p es proporcional al Q2

Los procedimientos IEC / ISA tienen una expresin ms completa para calcular el N de Re. incorporando factores que tienen que ver con la forma de la vlvula: Fd, coeficiente Fl, tamaod, capacidad de caudal-Cv.[ Fd es un factor de estilo que depende de la geometra interna de las vlvulas. Cd (de capacidad relativa) = Cv / d2. (d dimetro de la vlvula) FR, (Factor de correccin de N de Re) = Cv en derrame laminar / Cv en derrame turbulento ]

Si dibujamos una curva que relacione FR con el N de Re. Se pueden establecer tres zonas que definen los derrames Laminar Transicional Turbulento. No hay una nica curva. Depender de cada vlvula analizada y de su capacidad relativa Cd. Cuando FR est entre 0,50 y 1, esta zona es la que se denomina de transicin flujo transicional y as aparece en los programas de clculo. Por debajo el rgimen es laminar y a partir de FR = 1 es turbulento. Lo normal es que en la industria se den derrames turbulentos. El rgimen laminar se puede ver favorecido no slo por la viscosidad, sino tambin cuando estamos con bajas presiones diferenciales.

Dejando al margen la condicin de rgimen laminar, poco frecuente, veamos lo que ocurre en un rgimen turbulento. Podrn presentarse varias situaciones

- Turbulento - Subcrtico, Crtico: Cavitacin, FlashEl paso de un fluido a travs de una restriccin produce un incremento de la velocidad en la estrangulacin; la energa necesaria para esta aceleracin se toma de la presin del fluido: cae la presin aguas abajo. Pasada la restriccin, el fluido reduce su velocidad y se recupera una parte de la presin.


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La parte de presin no recuperada se ha perdido como energa interna de rozamiento. Aguas debajo de la restriccin, las lneas de flujo alcanzan un punto de mxima velocidad asociada a la mnima presin. Este punto se llama vena contracta y a la presin Pvc. Este valor en la vena contracta puede caer muy bajo, incluso hasta situarse por debajo de la presin de vapor del lquido Pv. En el derrame laminar no hay vena contracta y apenas se produce variacin en la velocidad.

La fraccin de presin recuperada slo depende de la forma geomtrica de la vlvula. No todas las vlvulas se comportan igual. Si comparamos, por ejemplo, dos diseos: simple asiento con mariposa, del mismo coeficiente de caudal Cv y con la misma presin de entrada, tendremos dos diferentes efectos de recuperacin. Por eso se dice que hay vlvulas de alta baja recuperacin, efecto ligado a su geometra interna. La alta baja recuperacin muestra la capacidad de cada vlvula para convertir la velocidad en la vena contracta en presin aguas abajo de la propia vlvula. De cmo sea esta recuperacin en comparacin con las propiedades termodinmicas del fluido depende el tipo de derrame. Y as tendremos: Derrame subcrtico, (sin problemas de clculo ni seleccin de materiales) Derrame crtico con cavitacin. Derrame critico con flash. Estos dos ltimos fenmenos fsicos: Cavitacin y Flash tendrn importantes consecuencias sobre el clculo y seleccin de la vlvula as como sobre los materiales a seleccionar. Por su importancia merecen una explicacin por separado. Hemos dicho antes que en un derrame turbulento el caudal es proporcional a la raz cuadrada de la p. Pero esto no se cumple en todo el rango de caudales y prdidas de carga posibles como se comprueba en la prctica. Para una restriccin dada, se verifica experimentalmente, segn el procedimiento ISA S 75.02, que a partir de un determinado valor de delta-p no aumenta el caudal en la misma proporcin; se dice entonces que se ha iniciado el proceso de choked flow. El procedimiento ISA define este punto cuando un 10% de incremento en la delta-p slo produce un 2% de incremento de caudal. As queda determinado el coeficiente de cavitacin incipiente (inicio) Kc. Mas adelante, la curva de crecimiento del caudal se desva buscando casi la horizontal.


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El factor Kc de cavitacin incipiente el cual, tambin se determina experimentalmente para cada tipo de vlvula, responde a la siguiente expresin: Kc = P1 - P2 / P1 Pv Por tanto: p cavitacin incipiente = K c (P1 Pv) Los valores de Kc deben ser facilitados por los fabricantes, al igual que el Fl.

- Coeficiente de cauda critico Fl Para que una vlvula no cavite hay que evitar que la presin en la vena contracta Pvc baje por debajo de la Pv. Esto depende que la vlvula sea de alta baja recuperacin. El conocimiento de la recuperacin de presin es muy importante, no slo para la prediccin de la cavitacin y el ruido, sino tambin para calcular el correcto factor de capacidad de la vlvula Cv. Por eso una empresa Masoneilan-(1) introdujo ya en los aos sesenta el primer factor de caudal critico-Cf que despus la ISA S.75.1 renombr como Fl- Liquid p

texto valv. de control dimen. y selección

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