valvula control caudal
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TECSUP – PFR Sistemas Hidráulicos
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UNIDAD X
VÁLVULA DE CONTROL DE CAUDAL
1. DEFINICIÓN
La válvula de control de caudal permite disminuir y mantener controlada la
velocidad de los actuadores. Para ello actúan estrangulando el paso del aceite o
derivando una parte de él.
2. OBJETIVO
Las bombas de desplazamiento fijo producen un caudal fijo o constante a una
determinada RPM, por lo tanto se sigue las siguientes estrategias para disminuir
el caudal que llega al actuador:
Se provoca un aumento de presión en las válvulas de tal manera que la
presión se acerque a la zona de apertura de la válvula limitadora de presión y
al abrir parcialmente permita la derivación del aceite, con lo que el aceite que
llega al actuador puede ser regulado en función al estrangulamiento en las
válvulas de control o regulación de caudal.
Se divide el aceite a través de sistemas compensadores que aperturan o
cierran en función de la carga que permiten la derivación del aceite a través
de la propia válvula sin necesidad de elevar la presión a un valor cercano al
máximo establecido por la válvula limitadora de presión.
Este es un método mucho más económico que el primero ya que permite ahorrar
energía en el proceso de disminución de velocidad.
Otra de las formas de reducir velocidad en un actuador es actuando
directamente sobre el desplazamiento volumétrico de la bomba, es decir que las
bombas de caudal variable ajustan su desplazamiento volumétrico en función a
un parámetro por ejemplo a la carga de tal manera que no se tiene necesidad
de utilizar una válvula de control o regulación de caudal.
Este método es actualmente usado con mayor frecuencia ya que se obtiene el
mayor ahorro de energía, pero las inversiones iniciales en la adquisición de una
bomba de caudal variable son mayores.
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3. CLASIFICACIÓN
Las válvulas de control y regulación de caudal se clasifican en:
Válvulas de estrangulamiento
Válvulas reguladoras de caudal.
Válvulas repartidoras o divisoras de caudal.
4. REPRESENTACIÓN
VÁLVULA DE
ESTRANGULAMIENTO
VÁLVULA REGULADORA DE
CAUDAL
VÁLVULA DIVISORA DE
CAUDAL
Figura 1. Válvulas de control de caudal.
5. VÁLVULA DE ESTRANGULAMIENTO
La válvula de estrangulamiento genera una caída de presión cuando circula un
caudal.
El caudal de aceite que ingresa al estrangulamiento es el mismo que sale, ya que
el fluido es incompresible.
Q e Q s
Q e = Q s
p1 p2
p = p1 - p2
Figura 2. Válvula estranguladora.
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Esta caída de presión es la que define el caudal que circula por el
estrangulamiento hacia un actuador, ya que al producir una gran caída de
presión ocasiona la apertura de la válvula limitadora de presión dividiendo el
caudal.
A = 100 cm 2
F = 1 ton
p 2 = F / A = 10 bar
p 1 = 135 bar
150 bar
p
Q
( l/min )
130
150
135
Q = 10 l/min
2
bar
8 l/min
2 l/min
p = p1 - p
2
p = 135 - 10 = 125 bar10
Figura 3. Aplicación de la válvula estranguladora.
En el ejemplo:
La bomba envía 10 litros por minuto en forma constante y acciona a una carga
de 1 tonelada, la carga solo genera 10 bar, en cambio el estrangulamiento 125
bares, esto hace que la válvula limitadora de presión se abra ligeramente
descargando 2 litros por minuto haciendo que solo lleguen 8 litros por minuto a
la carga lo que reduce la velocidad del pistón en su salida.
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A = 100 cm 2
F = 10 ton
p 2 = F / A = 100 bar
p 1 = 140 bar
150 bar
p
Q
( l/min )
130
150
140
Q = 10 l/min
5
bar
5 l/min
5 l/min
p = p 1 - p
2
p = 140 - 100 = 40 bar10
Figura 4. Aplicación de la válvula estranguladora.
Al existir mayor carga en el actuador el caudal se deriva aún más por la válvula
limitadora de presión y por lo tanto circula poco caudal hacia el estrangulamiento
y por lo tanto a la carga, lo que se manifiesta en una velocidad más lenta del
pistón, este poco caudal provoca poca caída de presión en la válvula de
estrangulamiento.
En el ejemplo la carga ha subido de 1 tonelada a 10 toneladas y de aquí a 14
toneladas.
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La caída de presión ha crecido en la carga provocando aún más la división de
caudal por la limitadora de presión. Al disminuir el caudal por la válvula de
estrangulamiento disminuye la caída de presión.
De aquí que la válvula de estrangulamiento a una regulación fija no puede
mantener un caudal constante aunque su configuración física permanezca igual
(la válvula de estrangulamiento no se ha alterado, sigue manteniendo su área, su
forma geométrica, el rozamiento etc.) ante la presencia de cargas variables en el
actuador; sólo controla la velocidad del actuador si este mantiene una carga
constante.
A = 100 cm 2
F = 14 ton
p 2
= F / A = 140 bar
p 1
= 148 bar
150 bar
p
Q
( l/min )
130
150148
Q = 10 l/min
9
bar
1 l/min
9 l/min
p = p 1 - p
2
p = 148 - 140 = 8 bar
10
Figura 5. Aplicación de la válvula estranguladora.
La caída de presión en un estrangulamiento depende de:
La velocidad del fluido
De la sección del estrangulamiento
La longitud del estrangulamiento
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La viscosidad del fluido
El tipo de flujo.
La forma geométrica del estrangulamiento.
Se asume que algunos de estos parámetros permanecen fijos y otros son
variables.
Por ejemplo se asume que el caudal determina fundamentalmente la caída de
presión. La ecuación es:
2 Qkp
Al ser el área constante entonces la caída de presión depende fundamentalmente
de la velocidad del fluido (forma cuadrática).
Donde la constante k es la que engloba los otros parámetros mencionados.
p
Q8
1 5
40
8
125
Figura 6. Curva característica de la caída de presión (AP VS Q)
Si consideramos:
Que la presión en la salida del estrangulamiento está determinada por la carga y
que el límite de la presión antes del estrangulamiento está definido por la presión
de la válvula limitadora de presión, entonces tenemos definido el valor
a mayor carga menor p) por lo tanto:
En un estrangulamiento el caudal estará en función de la caída de presión
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Obtenemos así el siguiente gráfico:
p
Q
8
1
5
40
8
125
Figura 7. Curva característica de la caída de presión (Q vs AP)
El modelo matemático que describe esta relación es:
pK Q *
* La constante K difiere de la constante de la relación anterior.
Pero no siempre los parámetros indicados: área, viscosidad, tipo de flujo,
permanecen constantes, por ejemplo la temperatura afecta la viscosidad,
En un estrangulamiento se genera calor por efecto de pérdidas, este calor
incrementa la temperatura del fluido afectando a la viscosidad del fluido
alterando por lo tanto la respuesta del estrangulamiento en el control del caudal
por efecto de la temperatura.
Por ello hay estrangulamientos que dependen de la viscosidad del fluido y otros
que no tienen dependencia de la viscosidad y por lo tanto de la temperatura del
fluido. De aquí definimos los siguientes tipos de estrangulamientos:
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5.1. TIPOS
Hay dos tipos de válvulas de estrangulamiento:
5.1.1. VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO PROPIAMENTE
DICHAS
El control de caudal depende de la caída de presión y además
de la temperatura del aceite.
5.1.2. VÁLVULAS DE DIAFRAGMA
El control de caudal depende de la caída de presión pero no de
la temperatura.
ESTRANGULAMIENTO
DIAFRAGMA
Figura 8. Estrangulamiento y Diafragma.
Además las válvulas de estrangulamiento pueden ser fijas o
variables.
ESTRANGULAMIENTO FIJO
ESTRANGULAMIENTO VARIABLE
Figura 9. Estrangulamiento fijo y Estrangulamiento variable.
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6. VÁLVULA DE ESTRANGULAMIENTO CON ANTIRRETORNO
6.1. REPRESENTACIÓN
Figura 10. Válvula de estrangulamiento con antirretorno.
6.2. FUNCIONAMIENTO
Es usual que se encuentren trabajando juntas en paralelo la válvula de
estrangulamiento con la válvula de antirretorno o check. De esta manera
el estrangulamiento controla el caudal en un sentido y en sentido
contrario el fluido pasa libremente a través de la válvula check.
Comúnmente vienen empaquetadas la válvula de estrangulamiento con la
válvula check, esto significa que se presentan formando una sola unidad.
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ES
TR
AN
GU
LAD
O
SALE LENTO
ENTRA RAPIDO
PAS
O L
IBR
EP
AS
O L
IBR
E
M
VALVULA DE CONTROL
DE LA VELOCIDAD DE
SALIDA DEL PISTON
VALVULA DE CONTROL
DE LA VELOCIDAD DE
ENTRADA DEL PISTON
Figura 11. Aplicación de la válvula estranguladora con check.
También es común encontrar paquetes de válvulas que contienen dos
estrangulamientos y dos válvulas check de tal manera que se puede
controlar la velocidad de los actuadores en un sentido y en sentido
contrario independientemente.
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6.3. ESTRUCTURA DE VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO CON
VÁLVULAS CHECK
En la siguiente figura se muestra la estructura de una válvula de
estrangulamiento en paralelo con una válvula check ensambladas en una
sola unidad.
El paso de fluido de A hacia B es a través de la válvula de
estrangulamiento ya que la válvula de retención en este sentido se
bloquea, el control se realiza por la muesca triangular la que puede pasar
del estado totalmente abierta a totalmente cerrada.
Debemos recordar que la válvula de estrangulamiento controla velocidad
por división de caudal a través de la válvula limitadora de presión en la
zona ubicada entre su presión de apertura y su presión de regulación por
lo tanto para alcanzar esta presión es necesario que la válvula de
estrangulamiento esté casi cerrada por lo que no nos debe sorprender
obtener la disminución de velocidad de los actuadores en los últimos hilos
del tornillo del estrangulamiento.
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A B
MUESCA
ESTRANGULAMIENTO
VALVULA DE
RETENCION
TORNILLO
A B
VALVULAS
ENSAMBLADAS EN
UNA SOLA UNIDAD
ALGUNAS FORMAS DE
ESTRANGULAMIENTOS
BA
A B
Figura 12. Estructura de la válvula estranguladora con check.
Si el fluido circula de B hacia A entonces la válvula de retención permite el
paso de B hacia A ofreciéndole solo la resistencia que le ofrece el muelle
de posicionamiento de la válvula de retención.
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7. FORMAS DE CONTROLAR LA VELOCIDAD
El uso de válvulas de estrangulamiento en paralelo con válvulas check permite
controlar la velocidad de los actuadores en un sentido, pero su ubicación en el
sistema define las siguientes formas de controlar la velocidad de los actuadores
denominadas comúnmente regulaciones:
7.1. REGULACIÓN PRIMARIA
El fluido se estrangula o regula antes de ingresar al actuador.
Podemos tener regulación primaria para la salida de un pistón o para la
entrada del pistón.
7.2. REGULACIÓN SECUNDARIA
El fluido se estrangula o regula al salir del actuador.
Podemos tener regulación secundaria para la salida de un pistón o para la
entrada del pistón.
REGULACIÓN PRIMARIA
ES
TRA
NG
ULA
DO
SALE LENTO
REGULACIÓN SECUNDARIA
ENTRA LENTO
ES
TR
AN
GU
LAD
O
ES
TRA
NG
ULA
DO
ENTRA LENTO
SALE LENTO
ESTR
AN
GU
LAD
O
Figura 13. Tipos de regulación.
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7.3. REGULACIÓN POR DERIVACIÓN
El fluido es derivado hacia tanque a través de la válvula de
estrangulamiento.
Puede realizarse un control de caudal para la entrada y salida del pistón
como el que muestra la figura o solamente para un de sus movimientos
(entrada o salida), por ello la división de caudal se daría en las líneas A o
B con respecto a tanque, pero no es muy común esta práctica.
M
A B
P T
Figura 14. Regulación por derivación.