Válvula de control

Una válvula de control es una válvula que se utiliza para controlar el flujo de fluido variando el tamaño del paso de flujo según lo indique una señal de un controlador. ^[1] Esto permite el control directo del caudal y el consiguiente control de cantidades del proceso como la presión , la temperatura y el nivel del líquido .

En la terminología de control automático , una válvula de control se denomina "elemento de control final".

La apertura o cierre de las válvulas de control automático se realiza normalmente mediante actuadores eléctricos , hidráulicos o neumáticos . Normalmente, con una válvula moduladora, que se puede ajustar en cualquier posición entre totalmente abierta y totalmente cerrada, se utilizan posicionadores de válvula para garantizar que la válvula alcance el grado de apertura deseado. ^[2]

Las válvulas accionadas por aire se utilizan comúnmente debido a su simplicidad, ya que solo requieren un suministro de aire comprimido, mientras que las válvulas operadas eléctricamente requieren cableado y equipos de conmutación adicionales, y las válvulas accionadas hidráulicamente requieren líneas de suministro y retorno de alta presión para el fluido hidráulico.

Las señales de control neumático se basan tradicionalmente en un rango de presión de 3 a 15 psi (0,2 a 1,0 bar) o, más comúnmente ahora, en una señal eléctrica de 4 a 20 mA para la industria o de 0 a 10 V para sistemas HVAC . El control eléctrico ahora suele incluir una señal de comunicación "inteligente" superpuesta a la corriente de control de 4 a 20 mA, de modo que el estado y la verificación de la posición de la válvula se puedan enviar de vuelta al controlador. HART , Fieldbus Foundation y Profibus son los protocolos más comunes.

Una válvula de control automático consta de tres partes principales, cada una de las cuales existe en varios tipos y diseños:

• Actuador de válvula: que mueve el elemento modulador de la válvula, como una bola o una mariposa.
• Posicionador de válvula: garantiza que la válvula alcance el grado de apertura deseado, lo que evita los problemas de fricción y desgaste.
• Cuerpo de la válvula: en el que está contenido el elemento modulador, un tapón, globo, bola o mariposa.

Tomando el ejemplo de una válvula operada por aire, hay dos acciones de control posibles:

• "Aire o corriente para abrir" – La restricción de flujo disminuye a medida que aumenta el valor de la señal de control.
• "Aire o corriente para cerrar" – La restricción de flujo aumenta con el aumento del valor de la señal de control.

También pueden producirse fallos en los modos de seguridad:

• "Fallo en la señal de aire o de control al cerrar" – Cuando falla el suministro de aire comprimido al actuador, la válvula se cierra por presión de resorte o por energía de respaldo.
• "Fallo en la señal de aire o de control al abrir" – Cuando falla el suministro de aire comprimido al actuador, la válvula se abre por presión de resorte o mediante energía de respaldo.

Los modos de funcionamiento en caso de fallo son requisitos de la especificación de control del proceso de seguridad en caso de fallo de la planta. En el caso del agua de refrigeración, puede ser en caso de fallo abierto, y en el caso del suministro de un producto químico, puede ser en caso de fallo cerrado.

La función fundamental de un posicionador es suministrar aire presurizado al actuador de la válvula, de modo que la posición del vástago o eje de la válvula corresponda al punto de ajuste del sistema de control. Los posicionadores se utilizan normalmente cuando una válvula requiere una acción de estrangulamiento. Un posicionador requiere retroalimentación de posición del vástago o eje de la válvula y suministra presión neumática al actuador para abrir y cerrar la válvula. El posicionador debe estar montado sobre o cerca del conjunto de la válvula de control. Existen tres categorías principales de posicionadores, según el tipo de señal de control, la capacidad de diagnóstico y el protocolo de comunicación: neumáticos, analógicos y digitales. ^[3]

Las unidades de procesamiento pueden utilizar la señalización de presión neumática como punto de ajuste de control para las válvulas de control. La presión se modula típicamente entre 20,7 y 103 kPa (3 a 15 psig) para mover la válvula de la posición de 0 a 100%. En un posicionador neumático común, la posición del vástago o eje de la válvula se compara con la posición de un fuelle que recibe la señal de control neumática. Cuando la señal de entrada aumenta, el fuelle se expande y mueve una viga. La viga gira sobre un eje de entrada, que acerca una aleta a la boquilla. La presión de la boquilla aumenta, lo que aumenta la presión de salida al actuador a través de un relé amplificador neumático. La mayor presión de salida al actuador hace que el vástago de la válvula se mueva.

El movimiento del vástago se retroalimenta a la viga por medio de una leva. A medida que la leva gira, la viga gira alrededor del eje de retroalimentación para alejar ligeramente la aleta de la boquilla. La presión de la boquilla disminuye y reduce la presión de salida al actuador. El movimiento del vástago continúa, alejando la aleta de la boquilla hasta que se alcanza el equilibrio. Cuando la señal de entrada disminuye, el fuelle se contrae (ayudado por un resorte de rango interno) y la viga gira alrededor del eje de entrada para alejar la aleta de la boquilla. La boquilla disminuye y el relé permite la liberación de la presión de la carcasa del diafragma a la atmósfera, lo que permite que el vástago del actuador se mueva hacia arriba.

A través de la leva, el movimiento del vástago se retroalimenta a la viga para reposicionar la válvula más cerca de la boquilla. Cuando se obtienen las condiciones de equilibrio, el movimiento del vástago se detiene y la válvula se posiciona para evitar una mayor disminución de la presión del actuador. ^[3]

El segundo tipo de posicionador es un posicionador I/P analógico. La mayoría de las unidades de procesamiento modernas utilizan una señal de CC de 4 a 20 mA para modular las válvulas de control. Esto introduce la electrónica en el diseño del posicionador y requiere que el posicionador convierta la señal de corriente electrónica en una señal de presión neumática (corriente a neumática o I/P). En un posicionador I/P analógico típico, el convertidor recibe una señal de entrada de CC y proporciona una señal de salida neumática proporcional a través de una disposición de boquilla/aleta. La señal de salida neumática proporciona la señal de entrada al posicionador neumático. De lo contrario, el diseño es el mismo que el del posicionador neumático ^[3].

Mientras que los posicionadores neumáticos y los posicionadores I/P analógicos proporcionan un control básico de la posición de la válvula, los controladores de válvulas digitales añaden otra dimensión a las capacidades del posicionador. Este tipo de posicionador es un instrumento basado en un microprocesador. El microprocesador permite el diagnóstico y la comunicación bidireccional para simplificar la configuración y la resolución de problemas.

En un controlador de válvula digital típico, el microprocesador lee la señal de control, la procesa un algoritmo digital y la convierte en una señal de corriente de accionamiento para el convertidor I/P. El microprocesador ejecuta el algoritmo de control de posición en lugar de un conjunto mecánico de viga, leva y aleta. A medida que aumenta la señal de control, aumenta la señal de accionamiento para el convertidor I/P, lo que aumenta la presión de salida del convertidor I/P. Esta presión se envía a un relé amplificador neumático y proporciona dos presiones de salida al actuador. Con el aumento de la señal de control, una presión de salida siempre aumenta y la otra presión de salida disminuye.

Los actuadores de doble efecto utilizan ambas salidas, mientras que los actuadores de simple efecto utilizan solo una salida. La presión de salida cambiante hace que el vástago o eje del actuador se mueva. La posición de la válvula se envía al microprocesador. El vástago continúa moviéndose hasta que se alcanza la posición correcta. En este punto, el microprocesador estabiliza la señal de accionamiento al convertidor I/P hasta que se obtiene el equilibrio.

Además de la función de controlar la posición de la válvula, un controlador de válvula digital tiene dos capacidades adicionales: diagnóstico y comunicación digital bidireccional. ^[3]

Los protocolos de comunicación ampliamente utilizados incluyen HART , FOUNDATION Fieldbus y PROFIBUS.

Ventajas de colocar un posicionador inteligente en una válvula de control:

• Calibración y configuración automática del posicionador.
• Diagnóstico en tiempo real.
• Reducción del coste de puesta en marcha del bucle, incluida la instalación y la calibración.
• Uso de diagnósticos para mantener los niveles de rendimiento del bucle .
• Precisión de control de procesos mejorada que reduce la variabilidad del proceso.

Las válvulas de control se clasifican por atributos y características.

• Válvula de alta recuperación: estas válvulas suelen recuperar la mayor parte de la caída de presión estática desde la entrada hasta la vena contracta en la salida. Se caracterizan por un coeficiente de recuperación más bajo. Ejemplos: válvula de mariposa, válvula de bola, válvula de tapón, válvula de compuerta
• Válvula de recuperación baja: estas válvulas normalmente recuperan una pequeña parte de la caída de presión estática desde la entrada hasta la vena contracta en la salida. Se caracterizan por un coeficiente de recuperación más alto. Ejemplos: válvula de globo, válvula de ángulo

• Vástago deslizante: el vástago o tapón de la válvula se mueve en un movimiento lineal o en línea recta. Ejemplos: válvula de globo, válvula de ángulo ^[4] , válvula de compuerta tipo cuña
• Válvula rotativa: El disco de la válvula gira. Ejemplos: válvula de mariposa, válvula de bola

• Válvula de control: controla los parámetros de flujo de manera proporcional a una señal de entrada recibida desde el sistema de control central. Ejemplos: válvula de globo, válvula de ángulo, válvula de bola
• Válvula de cierre/encendido: estas válvulas están completamente abiertas o cerradas. Ejemplos: válvula de compuerta, válvula de bola, válvula de globo, válvula de ángulo, válvula de manguito, válvula de diafragma
• Válvula de retención: permite el flujo solo en una única dirección
• Válvula de acondicionamiento de vapor: regula la presión y la temperatura del medio de entrada según los parámetros requeridos en la salida. Ejemplos: válvula de derivación de turbina, estación de reducción de vapor de proceso
• Válvula de seguridad con resorte: cerrada por la fuerza de un resorte, que se retrae para abrirse cuando la presión de entrada es igual a la fuerza del resorte.

• Válvula manual: accionada mediante volante
• Válvula neumática: accionada mediante un medio compresible como aire, hidrocarburo o nitrógeno, con un diafragma de resorte, un cilindro de pistón o un actuador de tipo pistón-resorte.
• Válvula hidráulica: accionada por un medio no compresible como agua o aceite.
• Válvula eléctrica: accionada por un motor eléctrico.

Existe una amplia variedad de tipos de válvulas y de funcionamiento de control. Sin embargo, existen dos formas principales de acción, la de vástago deslizante y la rotativa.

Los tipos más comunes y versátiles de válvulas de control son las de vástago deslizante, las de bola con muesca en V, las de mariposa y las de ángulo. Su popularidad se debe a su construcción robusta y a las numerosas opciones disponibles que las hacen adecuadas para una variedad de aplicaciones de proceso. ^[5] Los cuerpos de las válvulas de control se pueden clasificar de la siguiente manera: ^[3]

• Vástago deslizante
  • Válvula de globo  : dispositivo de control de flujo
  • Válvula de cuerpo angular
  • Válvula de pistón de asiento inclinado
  • Válvula de flujo axial
• Giratorio
  • Válvula de mariposa  – Dispositivo de control de caudal
  • Válvula de bola  – Dispositivo de control de caudal
• Otro
  • Válvula de pinza  : válvula que se cierra al apretar un tubo.
  • Válvula de diafragma  – Dispositivo de control de flujo

• [1] Manual de válvulas de control
• [2] Instituto de Investigación de Control de Fluidos
• [3] Revista Valve World
• [4] Nueva era en el diseño e ingeniería de válvulas
• [5] Aplicación de diseño de válvulas basada en aprendizaje automático