Distintos elementos finales de control.Válvulas reguladoras, descripcióngeneral, tipos y características.Accionamiento neumático, retardos.Dimensionamiento de válvulas: flujocrítico, vaporización y cavitación,efecto de la viscosidad. Selección deválvulas de control. Posicionador

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar unaseñal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es estavariable manipulada la que incide en el proceso causando cambios de la variablecontrolada. Lo más común en procesos es que la manipulación sea un caudal.

CONTROLADOR

ELEMENTO

FINAL DE

CONTROL

PROCESO

PROCESO

(Pertubación)

ELEMENTO DE

MEDICIÓN Y

TRANSMISIÓN

Variable

Manipulada

Parturbación

Variable

Controlada

Señal Transmitida

Señal de

control

Valor

Deseado

(c)

(d)

(m)(u)

(y)

(Vd)

Flujo de

entrada

Flujo de salida

ELEMENTO

FINAL DE

CONTROL

ELEMENTO DE

MEDICIÓN - TRANMISIÓN

CONTROLADOR

DE PROCESO

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Modificar la energíaentregada al fluido (bombas yventiladores de velocidadvariable)

Modificar la resistencia alpaso del fluido (válvulas,registros en ductos de gases)

Flujo

Variar la resistencia

Flujo

Variar la energía entregada

Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen primariamente dos mecanismos:

De los diversos elementos finales decontrol, el de más amplia difusión es laválvula automática con actuadoresneumáticos o eléctricos. Pero tambiénestán los siguientes tipos:

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Bomba con motor de velocidadvariable

Bombas dosificadoras

Registros para conductos decirculación de aire o gases

Ventiladores con accionamientode velocidad variable

Contactos para resistenciaseléctricas

Válvulas rotatorias para sólidos

Válvulas de cuchilla para sólidos

Esparcidores de paletas parasólidos

Cinta transportadora de sólidos

BOMBAS Y VENTILADORES DE VELOCIDAD VARIABLE

Existen dispositivos quepermiten variar la velocidad degiro de motores. Estosvariadores pueden responder aseñales de controlestandarizadas.

De esta forma, variando lavelocidad, se puede cambiar elcaudal impulsado por bombas(líquidos) y ventiladores (gasesa bajas presiones).

Motor

Motor

Ventilador

Bomba

Variador de velocidad

BOMBAS DE VELOCIDAD VARIABLE

BOMBAS DOSIFICADORAS

Un método muy común para controlar directamentelos pequeños caudales de fluidos es utilizar undispositivo conocido como bomba dosificadora.Consiste en un mecanismo de bomba, motor ycomponentes electrónicos en una misma unidad.

Existen bombas cuyo caudal se fija manualmente yotras que admiten señales estandarizadas paravariación continua.

Las bombas dosificadoras se utilizan comúnmente enlos procesos de tratamiento de agua para inyectarpequeñas cantidades de coagulantes, desinfectantes,líquidos para la neutralización del pH, productosquímicos para el control de la corrosión, etc.

BOMBAS DOSIFICADORAS

Succión

Ciclo Completo

Descarga

Caudal promedio

Pico

tiempoVálvula de descarga

Válvula de succión Fluido

Empaquetadura

Son bombas de desplazamiento

positivo (alternativas).

ELEMENTOS PARA MANEJO DE FLUJO DE SÓLIDOS

Rotación

Paletas rotatorias

Cinta de alimentación

La velocidad de rotación de laspaletas fijan el caudal. La velocidadde la cinta establece la altura delcolchón.

ELEMENTOS PARA MANEJO DE FLUJO DE SÓLIDOS

Alimentador de sóli-dos transportadospor tornillos.

En este caso, lavelocidad de giro deltornillo establece elcaudal de sólidotransportado.

Tolva

Eje acoplado a motor de velodicdvariable

CajaSalida de los

sólidos

Tornillo

ELEMENTOS PARA MANEJO DE FLUJO DE SÓLIDOS

Hay muchas aplicaciones en las que se combina sistemas de control de la velocidad de la cinta que transporta el sólido y la altura del colchón

Motor de velocidad fija

VÁLVULAS PARA MANEJO DE PASTAS PESADAS Y

SÓLIDOS A GRANEL(de cuchillas)

Válvulas usadas fundamentalmente para bloqueo, sin caudales de fuga. Manejobi-direccional de flujo.

DISPOSITIVOS PARA MANIPULACIÓN DE CAUDALES DE GASES A PRESIONES BAJAS Y MEDIAS

Fracción de máxima rotación

Frac

ció

nd

elm

áxim

oca

ud

al

La característica de flujo es similar a las delas válvulas mariposa

Registro de persianasen paralelo (ductosrectangulares)

DISPOSITIVOS PARA MANIPULACIÓN DE CAUDALES DE GASES A PRESIONES BAJAS Y MEDIAS

Registro de sección circular tipo “iris”

Registro de persianas radiales (ductoscirculares). Muy usados para manipular el aireen el tramo de inducción de ventiladores ysopladores.

Orificio ajustable

Actuador

R

i

RESISTENCIAS ELÉCTRICASEste es uno de los pocos casos en los que la manipulación de la energía no se hacepor medio del cambio de caudales. Existen técnicas especiales como la modulaciónde pulsos en el tiempo, implementadas en controladores de temperatura, quepermiten variar la corriente sobre resistencias calefactoras, modificando así ladisipación de energía.

LA VÁLVULA DE CONTROL

La válvula de control es básicamente unorificio variable por efecto de unactuador. Constituye el elemento finalde control en más del 90 % de lasaplicaciones industriales.

Esta válvula utiliza una señal externaque puede ser neumática o eléctrica yposteriormente transformada en unade tipo neumática que incide elcabezal.

LA VÁLVULA DE CONTROL

Estos elementos los podemos considerar constituidos por dospartes:

Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en undesplazamiento (lineal o rotacional) merced a un cambio en lapresión ejercida sobre el diafragma.

Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que haceque la sección de pasaje del fluido cambie y con ésta el caudal.

Con un diagrama enbloques se puederepresentar a la válvulacomo un sistema enserie:

ACTUADOR CUERPO

VÁLVULA

Señal de control

Caudaldespla-

zamiento

Fu x

LA VÁLVULA DE CONTROL

El cuerpo carece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica de flujo.

Desde el punto de vista estático el

actuador es moderadamente

lineal y la dinámica más significativa es la de

llenado del cabezal con una constante de tiempo

del orden de los segundos.

𝐺𝐴 𝑠 =𝐾𝐴

𝜏𝑉𝑠 + 1

𝐺𝐶𝑈 𝑠 = 𝐾𝐶𝑈

𝑮𝑽 𝒔 =𝑲𝑨𝑲𝑪𝑼

𝝉𝑽𝒔 + 𝟏=

𝑲𝑽

𝝉𝑽𝒔 + 𝟏

ACTUADOR CUERPO

VÁLVULA

Señal de control

Caudaldespla-

zamiento

Fu x

ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULAS DE CONTROL

I. Cuerpo e internos: indicando el tipo, material y serie que se fijade acuerdo al servicio que debe prestar.

II. Dimensionamiento: significa determinar el diámetro, que estárelacionado con la capacidad.

III. Característica de Flujo: en algunos casos, según el tipo deválvula, se puede especificar la característica de flujo

IV. Actuador: una vez conocidos los detalles del cuerpo se debeelegir el tipo de motor (neumático de cabezal o pistón, eléctrico,etc.), la acción ante falla y el tamaño.

V. Accesorios: corresponde a elementos adicionales comotransductores I/P o V/P, volante para accionamiento manual,posicionador, etc.

ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULAS DE CONTROL

I. Cuerpo e internos: indicando el tipo, material y serie que se fijade acuerdo al servicio que debe prestar.

II. Dimensionamiento: significa determinar el diámetro, que estárelacionado con la capacidad.

III. Característica de Flujo: en algunos casos, según el tipo deválvula, se puede especificar la característica de flujo

IV. Actuador: una vez conocidos los detalles del cuerpo se debeelegir el tipo de motor (neumático de cabezal o pistón, eléctrico,etc.), la acción ante falla y el tamaño.

V. Accesorios: corresponde a elementos adicionales comotransductores I/P o V/P, volante para accionamiento manual,posicionador, etc.

VÁLVULAS GLOBO

Una de las válvulas más difundidas. El movimiento del vástago lineal.Existen muchas variantes para atender diversidad de aplicaciones

Fuerza del

actuador

Fuerza del

actuador

Sello

Bonete

Cuerpo

Obturador

P2P1

Válvula Globo con un solo asiento y guiada en un extremo

Válvula Globo con un solo asiento y guiada en los dos extremos

P2P1

VÁLVULAS GLOBO

VÁLVULA GLOBO COMPENSADA

Fuerza del

actuador

Obturador superior

Asiento superior

P2P1

Las válvulas glo-bo con dobleasiento sirvenpara servicios enlos que la dife-rencia de presiónes muy grande ypara grandescaudales.

De esta forma, selogra que elactuador no debahacer esfuerzosexcesivos.

Obturador inferiorAsiento inferior

VÁLVULA GLOBO - OBTURADORES

LinealIgual

porcentaje Apertura

rápida

Una flexibilidad de estas válvulases que pueden cambiarse losobturadores y así obtenerdistintas características de flujo.

% de apertura

Cv

VÁLVULA GLOBO GUIADAS EN CAJA

(JAULA)Fuerza

del actuador

Caja guía

P2P1

Son válvulas globoque pueden cam-biar las caracterís-ticas de flujo ysirven para servi-cios especiales (anticavitación, flashing,vibración, etc.)

VÁLVULAS GLOBO DE TRES VÍAS

Las válvulas globo de tresvías, permiten mezclar doscorriente o dividir unacorriente en dos, per-mitiendo estrategias decontrol más elaboradas

Mezcladora Divisora

VÁLVULAS GLOBO EN ÁNGULO

Manejan el flujo sinturbulencias excesivas. Adecu-ada para disminuir la erosiónpor las características delfluido o por la excesiva presióndiferencial.

Se usan con fluidos quevaporizan o que contienensólidos en suspensión.

VÁLVULAS GLOBO DE CUERPO PARTIDO

Modificación de la válvulade globo de simple asientoteniendo. El cuerpo estápartido en dos partes,entre las que el asientoqueda presionado.

La forma constructivapermite una fácilsustitución del asiento yademás no deja espaciosmuertos en el cuerpo.

Se emplea principalmentepara fluidos viscosos y en laindustria alimentaria.

VÁLVULAS GLOBO

VENTAJAS

Fuerte cierre

Variedad de características de flujo

Rápida velocidad de respuesta

Gran rangeabilidad en control

Soportan grandes caídas de presión

Disponible en pequeños tamaños

Internos para servicio severo

Distintas clases de construcción

DESVENTAJAS

Limitada capacidad de flujo (Cv)en función a su tamaño (y dediámetros)

Elevado peso comparado conotros tipos constructivos

Alto costo comparado con otrostipos

VÁLVULAS PINCH (de compresión)

Funcionan pinzando un elemento flexible, porejemplo, un tubo de goma. Se caracteriza por queproporciona un óptimo cierre. Se usan para elmanejo de fluidos agresivos, viscosos o consólidos en suspensión.

ABIERTA

CERRADA

Aire a presión

VÁLVULAS PINCH (de compresión)

Según la forma constructiva, seobtienen diversas característicasde flujo, lo que permite elegir lacaracterística más apropiada a laaplicación.

% de carrera

%d

eC

vmax

VÁLVULAS SAUNDERS

El obturador consiste en una membrana flexible que através de un vástago se desplaza contra un resalte delcuerpo, cerrando el paso del fluido. El cuerpo puederevestirse fácilmente de goma o plástico para trabajarcon fluidos agresivos.

El accionamiento debedesarrollar alta potenciapara cierre total. Se utilizaprincipalmente en proce-sos químicos difíciles, enparticular en el manejo defluidos agresivos o quecontengan sólidos ensuspensión.

VÁLVULAS SAUNDERS

Una seria limitación de este modelode válvula es su característicainherente. Los modelos máscomunes normalmente son deapertura rápida.

% de carrera

%d

eC

vmax

Su rangeabilidades baja, en tornode 4:1.

VÁLVULAS ESFÉRICAS

La apertura y cierre se logra conmovimiento rotacional del vástago.

El cuerpo posee una cavidad internaesférica que alberga un obturador enforma de esfera o bolilla. El cierrehermético se logra mediante un aro deresina anti-adherente incorporado alcuerpo contra el cual asienta la bolacuando la válvula esta cerrada.

Una de las aplicaciones más difundidas deeste tipo de válvula es la manipulación defluidos altamente viscosos o con fibrasen suspensión.

VÁLVULAS ESFÉRICAS

Los obturadores se fabrican con cortesadecuados para fijar la característica deflujo de la válvula.

Corte en “V”

Corte en “U”

Corte parabólico

Jaula

Convencional

%d

eC

vmax

% de rotación

VÁLVULAS ESFÉRICAS

VENTAJAS

Fuerte cierre

La más alta capacidad de flujo (Cv)

La más amplia rangeabilidad

Excelente para productos concontenido de fibras o muy viscosos

Geometría adecuada para procesoserosivos

Versatilidad en cuanto a caracterís-ticas de flujo

DESVENTAJAS

Requieren esfuerzo mecánicoconsiderable para para accionar.

Mas pesadas y costosas que lasválvulas de globo

Alto costo comparado con otrostipos

VÁLVULAS DE OBTURADOR EXCENTRICO ROTATIVO

Consiste en un obturador de superficieesférica que tiene un movimientoexcéntrico rotativo. El torque necesariopara el movimiento relativamentemoderado.

La válvula puede tener un cierre estancomediante anillos de resina anti-adherentedispuestos en el asiento, Se caracterizapor su gran capacidad.

VÁLVULAS TAPÓN (plug)

Similares a las válvulas esféricas, perocon obturador cilíndrico o troncocónico.

Se utilizan mucho en la industriapetrolera y en servicios consuspensiones y pastas en las industriasquímicas y de papel.

Para lograr cierre hermético se empleaanillos de resina anti-adherenteincorporados al cuerpo contra los quese apoya el o obturador.

VÁLVULAS TAPÓN (plug)

Los cortes del obturador se fabrican conel objeto de fijar la característica de flujode la válvula. Lineal

modificada

%d

eC

vmax

% de rotación

Seccionada en “V”

Parabólicamodificada

Igual porcentaje

Lineal Modificada

Parabólica Modificada

Igual porcentaje

VÁLVULAS MARIPOSA

Las válvulas de mariposa constan de undisco que gira perpendicular a latrayectoria del flujo de fluido. Cuando esparalelo al eje de flujo, el disco presentaun mínimo de obstrucción; cuando esperpendicular al eje, el disco bloqueacompletamente cualquier flujo. El cuerpoesta formado por un anillo cilíndrico delmismo diámetro que la cañería.

Las válvulas mariposa se emplean para elcontrol de grandes caudales de fluido,sobre todo, cuando las cañerías tienengran diámetro.Cuerpo de

la válvula

Disco (obturador)

VÁLVULAS MARIPOSALa característica de flujo está afectada porla localización del eje del plato (centradoo excéntrico) y por el tamaño relativo deleje comparado con la válvula.

Para la manipulación, usualmente serestringe la apertura entre 0° y 60°,

Disco convencional

Disco combado

Disco cola de pez

%d

eC

vmax

% de rotación (de 90°)

Típica propósito general

HP 24”

HP 2”

VÁLVULAS MARIPOSA

El tamaño relativo del eje comparado con el discoinfluye en la característica de flujo para aperturasmayores de 60°.

Válvula con disco fishtail

Válvula con disco excéntrico

Grados de rotación

Torq

ue

Válvula mariposa

convencional

Válvula mariposa con

disco combado

Válvula mariposa con disco estriado

VÁLVULAS MARIPOSA

El torneado del discotambién influye en elesfuerzo que deberealizar para abrir ocerrar la válvula.

Válvula con disco estriado

Válvula con disco combado

VENTAJAS

Buen cierre

Alta capacidad de flujo vs. tamaño

Livianas comparadas con válvulas deglobo del mismo tamaño

Menor costo que las válvulas deglobo

Disco excéntrico para prevención dedaño en el asiento

Disponibles para grandes diámetros

DESVENTAJAS

No hay disponibilidad paratamaños menores a 2 pulgadas

Presión de vena contacta menoresque las válvulas de globo

VÁLVULAS MARIPOSA

GUÍA PARA LA SELECCIÓN DEL TIPO DE VÁLVULA

El servicio que debe prestar la válvula de control determina el tipo. Entre loselementos a tener en cuenta figuran:

Densidad, viscosidad, temperaturas y presiones del fluido.

Tipo de flujo

Si el fluido es abrasivo, corrosivo, si presenta solidos o fibras en suspensión.

Capacidad para manejar los caudales de operación.

Caudales de fuga admisibles.

En manuales de instrumentación y catálogosde fabricantes se brinda informacióncomparativa que permite seleccionar el tipode válvula más adecuada para una dadaaplicación.

GUÍA PARA LA SELECCIÓN

DEL TIPO DE VÁLVULA

Bela G. Liptak (Editor), InstrumentEngineers' Handbook, vol. 2:Process Control and Optimization,4°Ed., CRC Press (2005)

GUÍA PARA LA SELECCIÓN

DEL TIPO DE VÁLVULA