Elementos finales de control 2024.pdf

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Ing. Edmundo Villa Barrón Septiembre 2024 preencoded.png Tipos de válvulas preencoded.png Estructura del lazo de control preencoded.png Generalidades 1 Función de la válvula de contr...

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Ing. Edmundo Villa Barrón Septiembre 2024 preencoded.png Tipos de válvulas preencoded.png Estructura del lazo de control preencoded.png Generalidades 1 Función de la válvula de control En el control automático de los procesos industriales, la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal de fluido de control que modifica, a su vez, el valor de la variable medida, comportándose como un orificio de área continuamente variable. 2 Válvula de control neumática La válvula de control neumática consiste en un servomotor accionado por la señal neumática de 3-15 psi (0,2-1 Kg/cm2). El servomotor está conectado directamente a un vástago que posiciona el obturador con relación al asiento. La posición relativa entre el obturador y el asiento permite pasar el fluido desde un caudal nulo (o casi nulo) hasta el caudal máximo, y con una relación entre el caudal y la carrera que viene dada por las curvas características de la válvula. 3 Función de la válvula de control La válvula de control es el único elemento del lazo que actúa sobre el fluido estrangulando su paso, produciendo perdida de presión para poder variar el caudal, en respuesta a la señal de mando procedente del controlador. preencoded.png Transmisor de posición Señal de salida Entrega una señal eléctrica proporcional a la posición del vástago de la válvula. El sensor puede ser potenciométrico o magnético con salida analógica directa o inversa de 4-20 mA para medir el desplazamiento o la rotación. Alarmas Opcionalmente puede sensar límites de posición (finales de carrera) para generar alarmas preencoded.png Posicionador electroneumático Señal de entrada y salida La señal de entrada proveniente del controlador es eléctrica y la salida hacia el actuador neumática. Los EP tienen cerramiento estanco y son aptos para áreas clasificadas. EP inteligentes Hay EP inteligentes para sistemas SIS = Safety Instrumented Systems que por comunicación digital supervisan la válvula y alertan sobre posibles fallas, permitiendo verificar el correcto funcionamiento mediante pruebas de carrera parcial PST = Parcial Stroke Test. preencoded.png Transductor I/P Señal de entrada Costo Recibe la señal eléctrica del controlador y la convierte en una El costo de un I-P es menor que un electro posicionador, pero señal neumática (aire o gas) cuya presión es proporcional a la no permite asegurar la posición requerida de la válvula dado corriente. que no se realimenta la posición del vástago. preencoded.png Válvula globo preencoded.png Válvula en ángulo Adecuada para sustituir a una válvula de globo cuando el fluido circula con sólidos en suspensión o a excesiva velocidad provocada por una alta presión diferencial de trabajo. preencoded.png Válvula de 3 vías Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor, facilitando un control muy rápido de la temperatura, gracias a que el fluido de calefacción (vapor o fluido térmico) puede derivar, a través de la válvula, sin pasar por el intercambiador. preencoded.png Válvula de mariposa El cuerpo está formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. preencoded.png Válvula de bola - El cuerpo tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre). La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que jala curva característica de la válvula, y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. preencoded.png preencoded.png Obturador y asiento preencoded.png Jaulas En este contexto, las jaulas se refieren a un componente fundamental en las válvulas de control, que desempeñan un papel crucial en la regulación del flujo de fluidos. La jaula, también conocida como trim, es la parte interna de la válvula que alberga el obturador, el elemento que controla el flujo. La forma y el diseño de la jaula determinan el comportamiento del flujo a través de la válvula, influyendo en la eficiencia, la precisión y la estabilidad del proceso. preencoded.png Apertura rápida, lineal e isoporcentual 1 Apertura rápida El caudal aumenta mucho al principio de la carrera llegando rápidamente al máximo. 2 Lineal El caudal es directamente proporcional a la carrera. 3 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. preencoded.png Materiales de las partes internas preencoded.png Patologías más frecuentes: Corrosión y erosión Corrosión Erosión La corrosión es un proceso químico o electroquímico que La erosión se produce cuando partículas, a alta velocidad deteriora un material metálico, generalmente por reacción en el seno del fluido, chocan contra la superficie del con el medio ambiente. En el contexto de las válvulas, la material de la válvula. Estas condiciones se encuentran en corrosión puede afectar al cuerpo, la tapa y el trim si no la vaporización de un líquido (_flashing_), con arena, se han elegido bien los materiales. fangos, etc., y en la cavitación, es decir, la formación continua de burbujas de vapor y su implosión a líquido a la salida de la válvula, en la zona de vena contraída, cuando la tensión de vapor del líquido llega a ser inferior a la presión del vapor saturado. preencoded.png Corrosión En primer lugar la corrosión que puede afectar a cuerpo-tapa-trim si no se han elegido bien los materiales. Es un fenómeno difícil de abordar en algunos casos ya que pequeñas desviaciones en composición, del fluido, temperaturas, velocidad, etc. modifican su agresividad. Durante el proceso de selección de materiales se han de evaluar todos los tipos de corrosión posibles pues en cada proceso o tipo de planta aparecerán unos fenómenos corrosivos más que otros. Para conocer más sobre materiales resistentes a la corrosion ver Tablas 8.10 y 8.11 – Antonio Creus-Instrumentación Industrial preencoded.png Vaporización _(flashing)_ 1 Estado del líquido El líquido, de acuerdo con su presión y su temperatura, puede existir en estado líquido o de vapor. A temperaturas inferiores al punto de ebullición es un líquido y a temperaturas superiores es un vapor. 2 Flash o vaporización El flash o vaporización, aguas abajo de la válvula, es inevitable si la presión de salida se mantiene por debajo de la presión de vapor del líquido. La aparición del flash implica un aumento de volumen en la salida del trim lo que ocasiona mayor velocidad. Los efectos del flash se manifiestan, en general en el semicuerpo de salida, en la tapa y en algunos casos en la tubería, también en el trim cuando tengamos una alta presión diferencia. La agresividad es debida al choque del líquido arrastrado por la fase gaseosa. 3 Nivel de desgaste El nivel de desgaste depende del porcentaje de líquido vaporizado, de la velocidad del fluido, de la presión diferencial, del tamaño y forma de la válvula. Así como la cavitación tiene un ruido hidrodinámico alto, en el flash no ocurre esto, sobre todo cuanto mayor sea el porcentaje de líquido vaporizado. 4 Soluciones Las soluciones frente al flash pasan por una adecuada selección del tipo de válvula; tratar de calcular y limitar la velocidad en el cuerpo; elegir materiales duros en el trim y también en el cuerpo donde se mejora su resistencia con aceros aleado al Cr. Mo tipo WC6, WC9, etc. preencoded.png Cavitación En la estrangulación de la vena del líquido, llamada zona de vena contracta, el fluido alcanza su máxima velocidad y su mínima presión. Si en esta zona, la velocidad es suficiente, la tensión de vapor del líquido llega a ser inferior a la presión del vapor saturado, formando pues burbujas de vapor que colapsan (implosión) si a la salida de la válvula la presión es superior a la presión de saturación del líquido. Este fenómeno de formación continua de burbujas de vapor y su desaparición a la salida de la válvula recibe el nombre de cavitación. preencoded.png preencoded.png Dimensionamiento de la válvula Métodos de dimensionamiento Hay dos métodos para dimensionar las válvulas de regulación y control, el tradicional (desarrollado por Fisher) y el estandarizado (normas ANSI-ISA). Importancia del dimensionamiento La determinación del tamaño correcto de la válvula, sus internos y el actuador, resulta importante para reducir costos y obtener un adecuado funcionamiento en el lazo de control. Error común Seleccionar una válvula en base al diámetro de la cañería donde será instalada es incorrecto. Coeficientes de flujo Ambos métodos son similares y emplean formulas que utilizan coeficientes de flujo Cv para fluidos incompresibles (líquidos) y Cg para compresibles (gases). Estos coeficientes se determinan experimentalmente y definen la capacidad de una válvula, para compararla con otras de otros tipos y diámetros. preencoded.png Dimensionamiento de la válvula coeficientes Cv y Kv Cv "Caudal de agua en galones USA por minuto a la temperatura de 60°F (15,5°C) que pasa a través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga de una libra por pulgada cuadrada (psi)." Kv "Caudal de agua entre 5°C y 30°C en m3/h que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una pérdida de carga de 1 bar (105 Pa) (1,02 Kg/cm2)." preencoded.png Sobredimensionamiento de la válvula Peligro de sobredimensionamiento Cuando se selecciona una válvula existe el peligro de sobredimensionarla. En efecto, al establecer la capacidad de la válvula un 15% o un 50% superior al caudal máximo, y elegir su tamaño consultando las tablas del fabricante, se escoge la correspondiente al _Kv_ o _Cv_ superior al que resulta del cálculo. Consecuencias del sobredimensionamiento Por ejemplo, el _Kv_ de una válvula de 3" es de 130 y el de una de 4" es de 235. Como consecuencia, la válvula queda sobredimensionada en: 1,80 % Lo que empeora el control, al precisar de una ganancia más pequeña (banda proporcional mayor) y de un tiempo de acción integral más reducido. De este modo la válvula regula el caudal máximo con solo 1/1,80 = 0,55 Es decir aprox. El 60% de la amplitud de la señal de control (3-15psi) Lo que empeora el control, al precisar de una ganancia más pequeña (banda proporcional mayor) y de un tiempo de acción integral más reducido. preencoded.png Para fluidos incompresibles, donde C puede significar Cv o Kv: 𝑄 𝜌 𝐶= 𝑁1 ∆𝑝 Ejemplo: un tanque abierto, lleno de agua, genera una presión hidrostatica de 1 bar, la salida está sin restricción, pero se necesita mantener el nivel del tanque. Calcule la valvula de control a escoger. Caudal: 32 m3/hr 32 1 𝐶𝑣 = 0,865 1 𝐶𝑣 = 37 preencoded.png Para fluidos incompresibles, donde C puede significar Cv o Kv: 𝑄 𝜌 𝐶= 𝑁1 ∆𝑝 Ejemplo: un tanque abierto, lleno de agua, genera una presión hidrostatica de 1 bar, la salida está sin restricción, pero se necesita mantener el nivel del tanque. Calcule la valvula de control a escoger. Caudal: 32 m3/hr 32 1 𝐶𝑣 = 0,865 1 𝐶𝑣 = 37 preencoded.png Para fluidos incompresibles, donde C puede significar Cv o Kv: 𝐶𝑣 = 37 preencoded.png Tipos de acciones de las válvulas de control preencoded.png  Otros elementos finales de control Bombas dosficadoras preencoded.png  Otros elementos finales de control Actuadores de velocidad variable preencoded.png Otros elementos finales de control preencoded.png