Elementos+finales+de+control

Contenido
1. Simbología
2. Tipos de Válvulas
3. Cluster
4. Normatividad Industrial
5. Partes de una Válvula: Cuerpo, Tapa, Empaquetadura, Obturador /
Asiento.
6. Cálculos de parámetros de la válvulas
7. Actuadores y posicionador
8. Controlador
9. Ruido en válvulas
10.Cavitación

Símbolos para
elementos finales
de control

Válvula globo

Obturadores de movimiento lineal

Válvulas de globo
Las válvulas de asiento simple se
emplean para fluidos en baja presión.
Las válvulas de asiento doble o de
obturador equilibrado se emplean en
válvulas de
gran tamaño y alta presión diferencial

Asiento simple

Asiento doble

Obturador equilibrado

Válvulas de ángulo
Permite un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias
y es adecuada para disminuir la erosión.
El diseño de esta válvula es idónea para trabajar con:
fluidos que vaporizan, grandes presiones diferenciales y
fluidos que contienen sólidos en suspensión.

Válvula en ángulo

Válvulas de tres vías


Se emplean generalmente para mezclar
fluidos o bien para derivar de un flujo de
entrada dos de salida.

Válvula de tres
vías mezcladora

Válvula de tres
vías diversora

Válvulas de jaula
Es una válvula muy resistente a las vibraciones y al
desgaste, se emplean en válvulas de gran tamaño y
fluidos de alta presión diferencial.

Válvulas de compuerta

Válvula de jaula

Se utiliza en control de todo-nada, ya que en posiciones
Intermedias tiende a bloquearse, se caracteriza por su
baja pérdida de carga.

Válvula de compuerta

Válvulas en Y


Es adecuada como válvula de cierre y de control, se
caracteriza por su baja perdida de carga y gran capacidad
de caudal, además posee un autodrenaje con un cierto
ángulo.

Válvula en Y

Válvulas de cuerpo compartido
Se emplea para fluidos viscosos y en la industria de alimentos, es una
modificación de la válvula de asiento simple, con el cuerpo partido en dos
partes entre las cuales presiona el asiento.

Válvula de cuerpo compartido

Válvulas de Saunders
El obturador es una membrana flexible que a través de un
vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte
del cuerpo. El cuerpo de la válvula puede revestirse con goma
o plástico para fluidos agresivos.

Válvula Sauders

Válvulas de compresión
Funciona mediante la opresión de dos o mas elementos
flexibles, se aplican en el manejo de fluidos corrosivos,
viscosos o con sólidos en suspensión.

Válvula de compresión

Válvulas de obturador excéntrico rotativo

Obturadores de movimiento circular

Consiste de un obturador de superficie esférica que tiene un
movimiento rotativo excéntrico y que esta unido al eje de giro
por uno o dos brazos flexibles.
Se caracteriza por su gran capacidad de caudal y por su
elevada pérdida de carga.

Válvula de obturador
excéntrico rotativo

Válvulas de obturador cilíndrico excéntrico
Es una válvula de bajo costo y tiene una capacidad relativamente
alta, se puede cubrir con un revestimiento de teflón o goma para
manejar fluidos corrosivos y líquidos viscosos.

Válvulas de mariposa
Se emplean para control de grandes
caudales de fluidos a baja presión.
Se necesita una fuerza grande del
actuador para accionar la válvula en una
presión elevada.

Válvula de obturador
cilíndrico excéntrico

Válvula de mariposa

Válvulas de bola
Se emplea en fluidos negros o bien en fluidos con gran
Porcentaje de sólidos en suspensión.

Válvula de bola

Válvulas de macho

Obturadores de movimiento circular

Consiste en un cilindro con un orificio transversal igual al
diámetro interior de la tubería. Se utiliza generalmente en el
control manual todo o nada de líquidos o gases y en la
regulación de caudal.

Válvulas de orificio ajustable

Válvula de macho

Consiste en un cilindro que está perforado con dos orificios, uno de
entrada y otro de salida y que gira mediante una palanca exterior
accionada manualmente o por un servomotor. El giro del obturador tapa
parcial o totalmente las entradas y salidas, controlando el caudal. Se
utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y
líquidos en general.

Válvula de orificio ajustable

Válvulas de flujo axial
Consiste en un diafragma accionado neumáticamente que
mueve un pistón, el cual comprime un fluido hidraúlico contra un
obturador formado de material elastómero. El obturador se
Expande para cerrar el flujo. Esta válvulas son silenciosas y se
emplean en gases

Válvula de flujo axial

Cluster
En los procesos industriales es común controlar el flujo de varias tuberías a través
de un nodo o matriz de válvulas de 4 o 5 vías.
Las matrices de válvulas se encuentran comúnmente en las industrias de procesamiento de
bebidas, cerca de las etapas de almacenamiento en tanques y cisternas. Cabe señalar que en
este tipo de industrias es obligatorio el uso de acero
inoxidable en todo el proceso.

Normatividad Industrial
NOM
NMX

Fabricantes

Evaluación
Identifique cada una de las siguientes válvulas

Cuerpo de la válvula
En Cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y
la presión del fluido sin perdidas, tener un tamaño
adecuado para el caudal que debe controlar y ser
resistente a la erosión o la corrosión.
Material

Presión nominal lb

Bronce

150
300

Hierro
fundido

125
250
Acero Inoxidable 18/8: C 0.08%, Mn 1.5%, P 0.04%, Si 2 %, S 0.04%, Cr 18-21, Ni 8-11

Acero al carbón: C 0.3%, Mn 1%, P 0.05%, Si 0.6 %, S 0.06%

En aquellos procesos donde el fluido es un agente químico corrosivo para
el metal, se emplean cuerpos para válvulas con materiales termoplásticos
como:
Cloruro Polivinilo PVC
Cloruro Polivinilo Clorinado PCVC

Polipropileno PP
Polipropileno Fibra de Vidrio PPG

Fluoruro Polivinilideno PVDF

Tapa de la válvula
La tapa de control une el
cuerpo al servomotor, y en su
interior se desliza el vástago
del obturador accionado por el
motor.
Para que el fluido no se
escape a través de la tapa es
necesario disponer una caja de
empaquetadura, la cual debe
ser elástica, soportar la
temperatura de trabajo, con un
bajo coeficiente de rozamiento,
químicamente inerte y ser
dieléctrico.

Empaquetadura

Tipos de empaquetaduras:
1) Teflón V (anticorrosión),
2) Perfluoelastómero con anillos
de
teflón rellenos con fibras de
grafito,
3) Grafito con filamento o laminado
o en cinta.

PTFE: politetrafluoretileno o Teflón

Obturador / Asiento
El obturador y los asientos se
fabrican de: Acero inoxidable,
Hastelloy, Monel, Stellite, 17-4PH
endurecido y materiales
termoplasticos.

Característica de caudal inherente

Porcentaje de Caudal

Apertura rápida: El caudal aumenta mucho al principio de la
Carrera llegando rápidamente al máximo.
Lineal: El caudal es directamente proporcional a la carrera.
Isoporcentual: Cada incremento de la carrera del obturador
produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que
fluía antes de la variación.
Otras curvas características son: parabólica, tajadera, mariposa y
bola.
Porcentaje de carrera de la válvula

Jaulas para válvulas de globo

Evaluación

1. ¿Qué significa usar una válvula ANSI 150-300?

2. ¿Qué tipos de empaquetaduras se utilizan en las válvulas?

3. ¿Cuáles son las respuestas características de un obturador / Asiento?

4. ¿Qué propiedades debe poseer la caja de empaquetadura?

Cálculo de parámetros de la válvula
Tipo de obturador de válvula previamente seleccionado
Identificar el proceso
Líquido

Gas

Vapor

Datos del proceso
Líquido

Gas

Saturación

Temperatura

Temperatura

Presión de entrada

Gravedad especifica

Gravedad especifica

Viscosidad

Datos de salida 1 de 2 conocidos
Flujo

Flujo

Flujo

Coeficiente de Flujo Cv



Caída de presión

Caída de presión

Caída de presión

Características de caudal efectivas
En la mayor parte de las válvulas que trabajan en condiciones
reales, la presión diferencial cambia cuando varía la apertura de la válvula,

F = FFricción + ( A ⋅ ∆P )
F - Fuerza requerida para cerrar
la válvula.
A - Área de paso del asiento.
ΔP - Presión diferencia a través de
la válvula.
FFricción - Fricción permitida para el
vastago del obturador

De modo general, el caudal que pasa por la válvula corresponde a la ecuación:
Donde Qv es el caudal a tráves de la válvula y K es una constante.

Qv = K ⋅ A ⋅ ∆ P

Capacidad de un válvula de control
En las válvulas de control ajustables los coeficientes Cv o Kv representan una relación de 100:1. En estas
Válvulas se limita en un valor ajustable la carrera del obturador con lo que se reduce el valor de Cv o Kv

Controlador
R +

KcGc

M(s)

Válvula

KvGv

Proceso
A(s)

KpGp

C(s)

Diagrama de bloques, en donde M(s) es la posición del vástago de la válvula, A(s) es el flujo del fluido de
proceso producido por la ubicación instantánea del vástago,

Definiciones:
Kv Flujo en m3/h, Europa
Cv Flujo en galones por minuto GPM, EUA
Av Flujo en m3/s,

Equivalencia:
Kv =0.86 Cv (m3/h)
Cv =1.16 Kv (GPM)

Tamaño de la válvula
Para determinar el tamaño requerido de una válvula se necesita conocer:
•El flujo volumétrico a través de la válvula V
•La presión diferencial a tráves de la válvula ΔP
El flujo o caudal de la válvula se determina :

V = Kv

∆P
G

Donde Kv es el coeficiente de flujo, ΔP es la presión diferencia a través de
la válvula y G es la densidad relativa / gravedad especifica del proceso.
Si el proceso es Agua G=1 y la ecuación anterior se simplifica:

V = K v ∆P

Ejemplo:
En un circuito se bombea 10 m3/h de agua, determine la caída de presión a través de la
válvula, con Kv=16.
2

2

 V   10m / h 
∆P = 
 =
 16  =

 Kv  


V = K v ∆P

3

V=10m3/h y Kv=16, se despeja de la ecuación anterior para ΔP
2

2

 V   10 
∆P = 
 K  =  16  = 0.39bar
  
 v

Tamaño de la válvula
El agua que circula a través de un sistema, incurrirá en perdidas por fricción, estas perdidas
pueden expresarse como caídas de presión que incrementaran en proporción cuadrática la
velocidad, entonces el flujo puede calcularse por la siguiente relación:

2
1
2
2

V
P
= 1
V
P2
donde, V1 es el flujo para una perdida de presión P1 y
V2 es el flujo para una perdida de presión P2.

Ejemplo:
Se observa que el flujo V1 a través de una tubería es de 2500 m3/h, cuando la caída de presión
P1 es de 4 bar. Determine la caída de presión P2 si el flujo V2 es 3500 m3/h.

 V22 
 3500 2 
P2 = P ⋅  2  = 4 ⋅ 
1 
 2500 2  = 7.84bar


V1 




Evaluación
Selecciona el tamaño de válvula correcto para las siguientes
aplicaciones:

5. Caudal máximo 150 000 l/h
Densidad 0.9
Temperatura 80ºC
Perdida de carga 5 bar

Caudal máximo 45 m3/h
Densidad 0.7
Temperatura 100ºC
Perdida de carga 3 bar

7. Caudal máximo 950 000 l/h
Densidad 0.95
Temperatura 25ºC
P1 = 18 bar
P2 = 24 bar

1 m3= 1000 l
Kv=
Cv=

Kv=
Cv=

Kv=
Cv=

Actuadores
La operación de una válvula de control involucra posicionar las partes movibles (obturadores)
relativamente al asiento estacionario de la válvula. El propósito del actuador de una válvula
es colocar con precisión el obturador en una posición marcada por la señal de control.
El actuador recibe la señal de un sistema de control, y en respuesta mueve la válvula a una
posición totalmente abierta, totalmente cerrada o a una posición intermedia, dependiendo del
control usado (ON/OFF o Continua).
Los actuadores principales son de tipo neumático y eléctrico. Otros sistemas de actuadores son
hidráulicos y de acción directa.

Actuador Neumático
Son comúnmente usados en válvulas de control y vienen en dos sistemas: •Actuador de pistón
•Actuador de diafragma
Actuador de pistón. Se usan cuando la carrera del vástago es muy corta. El aire comprimido se
aplica a un pistón, al interior de un cilindro sólido. El pistón puede ser simple o de doble acción.
Pueden resistir altas presiones de entrada en cilindros de volumen pequeño, y responder a alta
velocidad

Actuador de diafragma. El aire comprimido
se aplica sobre una membrana flexible o
diafragma, cuya área es constante a través
de la carrera del vástago. Este actuador es de
acción simple, donde el aire se suministra de
un solo lado. Pueden ser de acción directa
(resorte para retraer) o de acción reversa
(resorte para extender).

La elección de un actuador neumático de diafragma de acción directa o de acción reversa
depende de la naturaleza del proceso y de los requerimientos de seguridad. Tiene sentido que
en caso de falla del suministro de aire, usar válvulas de cierre en procesos de vapor y usar
válvulas de apertura en procesos de enfriamiento. En consecuencia se debe considerar la
combinación de actuador y tipo de válvula.

Todo buen ingeniero deberá basar su criterio de diseño en la seguridad del usuario final.

Posicionadores
Para muchas aplicaciones una presión de 0.2 a 1 bar en la cámara del diafragma puede no ser
suficiente para sobrellevar la fricción y la presión diferencial. Un sistema de control de alta
presión y resortes resistentes pueden ser usados, sin embargo en la practica se recurre al uso
de posicionadores. El posicionador es un dispositivo adicional que se une a los pilares del
actuador y que es vinculado al eje del actuador por un brazo retroalimentado, con la intensión de
monitorear la posición

Posicionadores Digitales
Algunas veces llamados posicionadores SMART, un posicionador digital monitora la posición de
la válvula y convierte esta información en forma digital, que mediante un micoprocesador se puede
lograr:
1) alta precisión en la posición de la válvula,
2) adaptabilidad en los cambios de control,
3) sistemas de rutina para auto ajuste y calibración,
4) diagnostico en línea y monitoreo centralizado mediante sistemas de comunicación en
protocolos HART, Fieldbus o Profibus.

Posicionadores y actuadores neumáticos rotativos
Este tipo de actuadores se aplican en válvulas de bola, mariposa, y acción rotativa. El tipo de
pistón es el más comúnmente usado, el cual consta de dos pistones al interior de una cámara que
comprimen una flecha centrada. Los pistones y la flecha tiene un sistema de riel dentado y piñón
para transferir el movimiento.

Actuador Eléctrico
Los actuadores eléctricos utilizan un motor con requerimientos de voltaje de: 230 V ac, 110 Vac,
24 Vac y 24 Vdc. Existen dos tipos de actuadores eléctricos:
•VMD Valve Motor Drive
•Modulado

VMD
Opera en tres estados: Control para cerrar la válvula, Control para abrir la válvula y Sin
movimiento. Un switch extermo conmuta los estados de operación del sistema VMD. Un
controlador posiciona la válvula en cierre y abertura, por un cierto tiempo asegurando que logra la
posición deseada por retroalimentación.

Modulado
Un circuito de posicionamiento debe ser incluido en el modulador del actuador, el cual acepta
una señal de control análoga (típica 0-10V o 4-20 mA). El actuador interpreta esta señal como
Una posición de la válvula entre los límites, para lograrlo en actuador posee un sensor de
posición (usualmente un potenciometro), el cual retroalimenta la posición de la válvula al
circuito.
Los actuadores eléctricos ofrecen fuerzas
especificas, que dependerán del modelo,
Es deseable consultar las hojas técnicas del
fabricante en la presión diferencial a través de la
válvula para determinar el tamaño del actuador.

Una limitación de los actuadores eléctricos es
su respuesta lenta en la velocidad de
movimiento de la válvula, que puede llegar a ser
de 4 seg/mm.

Evaluación
Evaluación
8. Identifique a que tipo de actuador corresponden las siguientes figuras:

9. Los actuadores de diafragma pueden ser ________________ o de _____________
10. ¿Cual es el propósito de agregar un posicionador al actuador?
11.¿Que diferencia existe en el funcionamiento de un actuador eléctrico VMD y modulado?

Controlador.
El controlador recibe una señal, toma la acción que sea necesaria y envía una señal al actuador
para que realice un movimiento. La mayoría de los controladores se basan en electrónica
digital, microprocesadores, PLC y PC. Algunos de los ejemplos típicos de control son:
Controlador de lazo simple. Opera una válvula y actuador desde un sensor.
Controlador de lazo múltiple. Puede operar más de una válvula y actuador desde varios sensores.
Entrada y salida simple. Puede aceptar la señal de un solo sensor y enviar la señal a un solo
actuador.
Entradas y salidas múltiples. Puede aceptar varias señales y enviar varias señales.
Tiempo Real. Puede incluir un temporizador para interrupción a un tiempo predeterminado.
Lapso de tiempo. Puede generar una interrupción para un tiempo o lapso predeterminado, antes o
después de la señal de paro y arranque de la planta.
Rampa y escalón. Sigue un patrón de secuencia en
cambio y mantenimiento. (Figura de la izquierda)

Señales de Comunicación Electrónica.
HART
Highway Addressable Remote Transductor. Es un protocolo de comunicación para dispositivos de
control en campo con una señal de control analógica de 4-20mA en FSK de 1200 Baud. Es el
sistema de comunicación mas usado en los procesos industriales.

PROFIBUS
Protocolo de comunicación digital en serie, que permite la comunicación de dispositivos de
diferente fabricante, se usa en aplicaciones criticas de alta velocidad y sistemas complejos. La
transmisión puede ser por RS-485 o fibra óptica.
Su estructura en red se conforma de tres niveles: 1) nivel de sensores y actuadores, 2) nivel de
sistemas automáticos en terminales de sensores y válvulas, 3) nivel de células de comunicación
entre PLC y PC con conexión a Ethernet.

FOUNDATION FIELDBUS
Es un sistema se comunicación serial digital de dos vías, que funciona como una red de área local
LAN de los dispositivos de instrumentación y control de la fabrica o planta. Entre sus
características están: 1) Dispositivos inter-operables, 2) Mejora los procesos de datos, 3) permite
una vista general del proceso, 4) Implementa sistemas de seguridad, 5) Facilita mantenimientos
predecibles, 6) Reduce costos de cableado y mantenimiento.

Topología de una red Industrial
Propósito: Lograr una automatización integral a través de un mejor control y monitoreo
del proceso en tiempo real, así como alcanzar una comunicación eficiente entre los
departamentos de la planta.

Ruido en las válvulas de control
En las industrias de proceso intervienen muchos factores que contribuyen al mantenimiento de
altos niveles de ruido, entre los cuales, uno de los más importantes es el generado durante el
funcionamiento de las válvulas de control instaladas en las tuberías que transportan líquidos,
gases y vapor. Las leyes y normas industrial obligan a la reducción del ruido sobre un nivel
admisible.
Causas del ruido en válvulas
Vibración mecánica. Es debida a las fluctuaciones de presión casuales dentro del cuerpo de la
válvula y al choque de fluido con las partes móviles. Otra causa, es la resonancia de un
componente vibrando a su frecuencia natural.
Ruido Hidrodinámico. Es producido por los líquidos al circular a través de la válvula, pudiendo
encontrarse en varios estados: Sin cavitación, con cavitación y con vaporización. Se encuentra
una banda estrecha L sin emisión de sonido, sigue una banda T con ruido moderado y un campo
crítico Z1-Z2 donde se pueden provocar daños importantes en las válvulas.
Ruido aerodinámico. Proviene del flujo turbulento del vapor, del aire y otros gases, siendo
despreciable en los líquidos. Se produce por obstrucción en el flujo, expansión rápida o
deceleración por codos o curvas en la tubería.
Daños por cavitación en las
partes internas de una
válvula.

Cavitación
La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua
o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una
descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal
forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor,
formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas
de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita,
«aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un rápido desgaste
de la superficie que origina este fenómeno.
La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la
corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de
presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión
que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor
pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas
de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las
fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones
localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.
El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que
se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina

Evaluación
Evaluación
12. ¿Cuál es la función de un controlador? y mencione un ejemplo.

13. ¿Cuáles son los protocolos de comunicación mas usados en la Industria?

14. ¿Cual es la finalidad de implementar un protocolo Fieldbus en la industria?

15. ¿Cómo afecta la cavitación el funcionamiento de una válvula?

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