La Importancia de las Válvulas de Control en Sistemas de Procesos

Las válvulas de control desempeñan un papel crucial en la regulación del flujo de fluido, lo que a su vez modifica la variable medida. Funcionan como un orificio con un área variable de manera continua dentro del lazo de control, teniendo igual importancia que los elementos primarios como los transmisores y controladores.

Una válvula de control típica consiste en un cuerpo y un servomotor. El cuerpo de la válvula alberga el obturador y los asientos, presentando roscas o bridas para la conexión de tuberías. El obturador controla el paso del fluido y puede moverse a lo largo de su eje o rotar, conectado a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y es accionado por el servomotor.

El coeficiente de flujo (Cv) de una válvula se define como el número de galones por minuto de agua a 60°F que fluye a través de la válvula con una caída de presión de 1 psi. Por el contrario, la tasa de flujo (Q) se mide en metros cúbicos por hora de agua a 16°C con una caída de presión de 1 bar. Ambos factores son críticos en la selección de una válvula para aplicaciones específicas para prevenir la cavitación y las caídas de presión.

Las válvulas se pueden categorizar según el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Los diversos tipos incluyen: 1) Válvulas de retención, que previenen el retroceso de fluidos; 2) Válvulas de bola, que cuentan con un obturador esférico para el control del flujo, utilizadas principalmente para fluidos con alto contenido de sólidos; 3) Válvulas de compuerta, que utilizan un disco plano o de forma especial para el cierre vertical; 4) Válvulas de globo, que regulan el flujo a través de un orificio redondo y un tapón cónico; y 5) Válvulas de mariposa, que están diseñadas para un cierre rápido.

Las válvulas de compuerta funcionan cerrando con un disco plano o de forma especial que se mueve verticalmente contra el flujo del fluido. Generalmente son adecuadas para el control de 'encendido-apagado', ya que tienden a bloquearse en posiciones intermedias.

Las válvulas de globo consisten en un orificio redondo y un tapón cónico, típicamente en el extremo de un vástago. Sirven tanto para regular el flujo como para funcionar como válvulas de 'encendido-apagado'.

La discusión comienza con la explicación de cómo una válvula, específicamente una válvula de mariposa, regula el flujo de fluido en un conducto al aumentar o disminuir el área de paso. Cuando se reduce el área de paso, se produce un aumento en la pérdida de presión local dentro de la válvula, lo que reduce el flujo. Estas válvulas están diseñadas para estar contenidas dentro del sistema de tuberías y exhiben una baja pérdida de presión cuando están completamente abiertas. Se observa que la relación entre el área de paso y el ángulo de rotación de la mariposa es no lineal.

Las válvulas de tres vías se introducen como dispositivos comúnmente utilizados para mezclar fluidos o desviar el flujo de una entrada a dos salidas. Desempeñan un papel crucial en el control de temperatura dentro de intercambiadores de calor, mostrando su importancia en diversas aplicaciones industriales.

Cualquiera de las válvulas mencionadas anteriormente puede transformarse en una válvula de control al agregar un actuador. Este actuador responde a una señal y ajusta la válvula a la posición deseada utilizando una fuente de energía externa, que puede ser neumática, electrónica o hidráulica.

Se discuten los actuadores neumáticos como mecanismos que mueven la válvula a la posición deseada al convertir la presión del aire en movimiento lineal o rotacional. Los dispositivos de movimiento lineal incluyen válvulas 'de encendido y apagado' como válvulas de compuerta, globo y diafragma, mientras que los dispositivos de movimiento rotacional se utilizan para el control preciso del flujo, incluyendo válvulas de bola, tapón y mariposa.

Las válvulas de cuarto de vuelta se pueden abrir completamente (100%) al girar el elemento de control de flujo solo 90 grados. La discusión destaca tres tipos de actuadores neumáticos: actuadores de diafragma, de pistón y de paleta, cada uno sirviendo a diferentes necesidades operativas.

La animación ilustra una válvula de bola operada por un actuador neumático con retorno por resorte. También se puede operar manualmente a través de una rueda de mano. Cuando se aplica presión de aire, empuja el pistón, abriendo la válvula de bola para permitir el flujo de fluido. Si el suministro neumático cesa, el resorte devuelve el pistón a su posición original, cerrando la válvula. En casos de pérdida de suministro de aire, la válvula aún se puede operar mecánicamente utilizando la rueda de mano.

Se describe el funcionamiento de un actuador de diafragma, donde el suministro de aire eleva el diafragma, levantando el vástago de la válvula. Por el contrario, si se detiene el suministro de aire, el resorte del actuador cierra la válvula. Esto destaca la dependencia del actuador de un sistema de control para un funcionamiento adecuado.

Un actuador neumático requiere un sistema de control para un funcionamiento efectivo, que incluye un regulador de presión, un regulador de señal, un transductor IPE y un posicionador. El regulador de presión reduce la presión del aire para controlar la válvula, y en algunos casos, se utilizan múltiples reguladores para cumplir con los requisitos del sistema. El transductor IPE convierte señales eléctricas en presión neumática, facilitando el proceso de control.

El posicionador se utiliza para mover el vástago de la válvula, proporcionando la presión de salida necesaria para posicionar la válvula en función de la señal de entrada del transductor. A medida que la presión debajo del actuador de diafragma aumenta, eventualmente supera la fuerza ejercida por el resorte, lo que permite que el vástago de la válvula se eleve. Por el contrario, cuando la presión debajo del diafragma se libera, la fuerza descendente del resorte hace que el vástago baje, cerrando así la válvula.

En esta aplicación, la válvula de globo se emplea para regular el flujo dentro de la tubería, mostrando su efectividad en el control de la dinámica de fluidos.

Las válvulas solenoides se utilizan cada vez más en diversos tipos de plantas y equipos para el control automático de fluidos. Sus diversos diseños permiten una selección específica adaptada a cada aplicación. Si bien su función básica refleja la de las válvulas operadas manualmente, las válvulas solenoides se pueden instalar en ubicaciones remotas y controlarse de manera conveniente a través de simples interruptores eléctricos.

La animación ilustra el funcionamiento de una válvula solenoide, que comienza en una posición cerrada. Cuando el circuito se cierra a través de un interruptor, el solenoide se energiza y se eleva debido a fuerzas electromagnéticas, abriendo la válvula y permitiendo el flujo de fluido hasta que las presiones a ambos lados se igualan. Posteriormente, un actuador opera debido a la presión en el lado derecho, abriendo el circuito eléctrico, y la válvula regresa a su posición original debido a la acción del resorte.

La función fundamental de una válvula de flotador en los tanques es regular el nivel del agua. Reduce el volumen de entrada a medida que el nivel del agua sube y cierra completamente la entrada cuando se alcanza el nivel máximo deseado. Por el contrario, permite nuevas entradas cuando el nivel baja debido al consumo. Típicamente, la válvula de flotador se posiciona en la parte superior del tanque, y una instalación adecuada requiere un accesorio de mamparo del mismo diámetro que la válvula, insertado en la pared del tanque.