¿Qué es una válvula de control?
Una válvula de control es un componente importante de las industrias de control de procesos y se emplea para regular el caudal de un fluido circulante, la presión y otros factores en un sistema de control. En otras palabras, es una parte crítica de un bucle de control y el elemento de control final de un sistema de control que supervisa y ajusta el caudal de fluidos como gases, líquidos o vapor de acuerdo con las señales de control. El objetivo principal de una válvula de control es controlar la variable del proceso hasta el punto de consigna deseado ajustando el vástago de la válvula.
Las válvulas de control se aplican en casi todas las industrias, incluidas las de petróleo y gas, procesamiento químico, tratamiento de aguas y generación de energía. Son indispensables para el funcionamiento normal y para lograr el mejor nivel de gestión de diversos procesos en sistemas a gran escala, especialmente en condiciones de servicio severas. Por ejemplo, una válvula de control mantiene constante el caudal en caso de desplazamiento de la carga o de cambio en la carga del proceso. Debido a su construcción y tipo de aplicación general, las válvulas de control pueden utilizarse en diversos procesos, incluido el servicio severo.
Es decir, el uso y la comprensión adecuados de las válvulas de control son fundamentales para el funcionamiento seguro y correcto de los sistemas industriales y la eficiencia. La pregunta de cómo funcionan las válvulas de control nos lleva a menudo a examinar con más detalle su funcionamiento, lo que haremos en la sección siguiente.
Explicación del principio de funcionamiento de las válvulas de control
Una válvula de control es un tipo de válvula que funciona de forma que controla el flujo de un fluido en una tubería para alcanzar una condición de proceso específica, como el caudal, la presión o la temperatura del nivel de líquido. Esto se consigue mediante la sincronización de sensores y controladores. A continuación se explica paso a paso cómo funciona una válvula de control:
| Paso | Descripción | Ejemplo de aplicación |
| Sensores | Recopile datos en tiempo real sobre variables del proceso como el caudal, la presión y la temperatura. | Un sensor de tuberías de vapor mide los niveles de caudal y presión para garantizar un funcionamiento seguro. |
| Sistema de control | Compara los valores medidos con los puntos de consigna deseados y determina los ajustes necesarios. | Un PLC ajusta la posición de la válvula si la presión cae por debajo del nivel requerido. |
| Actuador | Convierte la señal de control en movimiento mecánico para ajustar la posición del vástago de la válvula. | Un actuador neumático reduce la apertura de la válvula de 50% a 30% para disminuir el caudal en respuesta a las señales de realimentación. |
| Bucle de retroalimentación | Supervisa las nuevas variables del proceso tras el ajuste de la válvula para garantizar que se mantienen los puntos de ajuste deseados. | La supervisión continua del caudal garantiza que el sistema se mantenga estable incluso en condiciones de carga variables. |
Los sensores recogen datos en tiempo real
Comienza con la instalación de sensores de las variables del proceso en la tubería, lo que ayuda a estimar parámetros clave del proceso como el caudal, la presión o la temperatura. Por ejemplo, en un sistema que suministra vapor a alta presión, los interruptores comprueban con más frecuencia si el caudal y las presiones están dentro de las especificaciones correctas.
El sistema de control se compara con los valores de consigna
El sistema de control implica estructuras como el Sistema de Control Distribuido (DCS), o el importante hardware Controlador Lógico Programable (PLC), para obtener datos de sistemas electrónicos y sensores. Mide el valor obtenido y lo compara con un valor establecido por el programador. Si se produce una desviación -por ejemplo, se observa que la presión está por debajo del valor de consigna-, el sistema de control calcula la acción correctora necesaria.
Señal enviada al actuador
El actuador ajusta la válvula
Que altera la posición del vástago de la válvula modificando la señal de mando que el accionamiento convierte en movimiento mecánico. Este movimiento altera el paso del caudal dentro de la válvula:
Si el sistema necesita menos caudal, el actuador gira el vástago de la válvula para disminuir el tamaño de la vía de paso.
Si se necesita más caudal, el actuador gira el vástago en una dirección que abre más las válvulas.
Por ejemplo, al cambiar la apertura de una válvula de 50% a 30% en una aplicación inicial de tuberías de líquidos, también se escala el caudal, lo que facilita el control del flujo en consecuencia.
Retroalimentación y ajuste continuos
Uno de los elementos más importantes de la válvula de control es la realimentación de la señal. El sistema de control comprueba constantemente las nuevas variables del proceso tras el ajuste de la válvula. Si la variable del proceso, por ejemplo, el caudal, sigue sin estar en el punto de consigna deseado de las condiciones del proceso, que se basa en el sensor de las condiciones del proceso, el sistema de control envía una señal correctiva y otras señales para ajustar la posición de la válvula. De este modo, existe un control dinámico para mantener los puntos de consigna de las condiciones del proceso con una estabilidad razonable y unos límites de error mínimos.
En resumen, una válvula de control controla la cantidad de fluidos que circulan por las tuberías modificando su área de apertura con el tiempo bajo la dirección de sensores y señales. Esta integración de los sensores, actuadores y sistemas de control hace que el control del proceso sea preciso, fiable y eficaz, proporcionando un control preciso sobre los parámetros del sistema. Es crucial que se comprenda bien este principio para que sea un factor utilizado para mejorar el funcionamiento de los sistemas industriales y lograr la estabilidad del sistema.
Componentes clave de un sistema de válvulas de control
Hay varios componentes fundamentales de un sistema de válvulas de control y todos ellos son muy importantes cuando se trata del funcionamiento del sistema de válvulas de control que ayuda a gestionar el flujo de fluidos. Todos estos componentes proporcionan una sinergia perfecta que favorece la eficacia de los procesos. A continuación se ofrece una explicación detallada:
Cuerpo de válvula
El cuerpo de la válvula es la parte principal de la válvula de control, que incluye el paso del caudal y las piezas de trabajo internas. Tiene que estar fabricado para soportar situaciones de uso arduas, como alta presión, temperatura elevada y soluciones dañinas. Se adoptan muchos sustratos, como el acero inoxidable o el acero al carbono, para conseguir una larga duración y evitar la abrasión.
Vástago de válvula
El vástago de la válvula enlaza el actuador, que ejecuta las órdenes que introduce el cliente, con el sistema interno de control del caudal. Está destinado a soportar grandes caídas de presión y esfuerzos térmicos y, por lo general, se fabrica con un material que no se corroa rápidamente.
Actuador
El actuador se utiliza para accionar el vástago de la válvula con el fin de regular el paso del caudal. Existen cuatro tipos principales de actuadores:
Actuadores manuales: Incluyen un volante o una palanca que acciona una persona y se utilizan principalmente en situaciones bajas o de emergencia en las que no es necesario el uso del control automático.
Actuadores neumáticos: Son accionados por aire y se prefieren debido a su fiabilidad y mantenimiento barato en las industrias.
Actuadores eléctricos: Proporcionan una sintonización precisa y automática y se utilizan en la mayoría de los sistemas de control actuales en los que la precisión es primordial.
Actuadores hidráulicos: Al utilizar líquido comprimido, son adecuados para su uso en aplicaciones que exigen una gran fuerza, como la apertura de grandes válvulas en tuberías.
Todos los tipos de actuadores tienen sus ventajas y se eligen en función de las características del proceso.
Posicionador
El posicionador se encarga de que la válvula llegue a la posición correcta requerida por la señal de control. Reajusta constantemente el actuador para eliminar cualquier variación que pueda deberse a interferencias del sistema, stick-slip o histéresis, y proporciona una regulación precisa del caudal en entornos difíciles.
Componentes auxiliares
Los componentes de aislamiento, como la junta, el sello y la empaquetadura, garantizan que no haya fugas de fluido en el sistema. Estas piezas tienen la importante función de hacer que la válvula sea apta para servicio a alta presión o alta temperatura.
Cada uno de estos componentes debe funcionar eficazmente para que la válvula de control funcione como un elemento de control final clave en los entramados industriales. Su correcta selección en función de los requisitos operativos y medioambientales es la puerta de entrada a un control de fluidos fiable y eficaz.
Diferentes tipos de válvulas de control y sus aplicaciones
Las válvulas de control se clasifican por su método de accionamiento. Las hay de cuatro tipos: manuales, eléctricas, neumáticas e hidráulicas. Cada tipo se utiliza para fines industriales distintos y cada uno tiene sus ventajas y usos.
Válvulas manuales
Las válvulas manuales son las menos complicadas y se accionan a mano. Son más baratas y fiables, por lo que resultan ideales para aplicaciones de ciclo bajo, como el suministro de agua o el aislamiento de emergencia. Aunque son relativamente fáciles de usar y no necesitan mucho mantenimiento, no tienen automatismos y no son lo bastante precisas para los sistemas actuales, que pueden necesitar un ajuste constante o fino.
Válvulas de control eléctricas
Los actuadores motorizados se utilizan en válvulas de control eléctricas para controlar el caudal, la presión o la temperatura. Debido a su precisión, son adecuadas para su uso en industrias en las que se necesita un control preciso y automático de determinados procesos, como la producción de medicamentos, el control de la temperatura en edificios y las plantas de purificación de agua. Las electroválvulas pueden proporcionar una precisión de control de hasta ±0,1% en la mayoría de las aplicaciones, lo que resulta ideal para procesos precisos. Son eficientes energéticamente, poco ruidosas y compatibles con sistemas de control sofisticados, pero pueden tener un tiempo de reacción más lento que las válvulas neumáticas. No obstante, sus características de automatización y sus reducidas necesidades de mantenimiento las hacen inestimables en aplicaciones limpias o sistemas que requieren tolerancias estrechas.
Válvulas de control neumáticas
Las válvulas de control accionadas por aire son populares en las industrias del petróleo y el gas, petroquímica y de generación de energía. Tienen tiempos de respuesta cortos y pueden trabajar a temperaturas bajas y altas (de -40°C a 200°C), lo que las hace ideales para su uso a alta frecuencia y en zonas peligrosas donde los equipos eléctricos suponen un riesgo. Las válvulas neumáticas son algo menos precisas que las eléctricas, pero son sencillas, duraderas y fiables. No obstante, requieren sistemas de aire comprimido, lo que puede aumentar los costes de instalación, pero la rapidez de respuesta y la fiabilidad del sistema suelen merecer la pena.
Válvulas de control hidráulico
Las válvulas de control hidráulico funcionan mediante el uso de fluidos a presión, por lo que son adecuadas para aplicaciones de gran fuerza, como la minería o la perforación en alta mar. Son especialmente adecuadas para altas presiones superiores a 300 bares, pero son propensas a las fugas y, por tanto, necesitan un mantenimiento frecuente. Debido a sus tiempos de respuesta más lentos, son menos adecuados para aplicaciones que requieren cambios frecuentes.
Las válvulas eléctricas son las más adecuadas para la precisión y la automatización, mientras que las neumáticas lo son para la velocidad y la durabilidad. El conocimiento de los requisitos del sistema permite a los ingenieros seleccionar la válvula de control más adecuada para un rendimiento óptimo.
Factores a tener en cuenta al elegir la válvula de control adecuada
Por lo tanto, la elección de la válvula de control adecuada es muy importante para conseguir el mejor rendimiento, durabilidad y eficacia del sistema. Deben evaluarse cuidadosamente los siguientes factores clave:
Condiciones de servicio
Reconocer las condiciones específicas del proceso, que tienen que ver con la temperatura, la presión y el tipo de fluido, ya sea agua, vapor o productos químicos. Por ejemplo, los ácidos y álcalis requerirán válvulas con membranas de PTFE o válvulas con cuerpo y embellecedores de acero inoxidable.
Características del flujo
Determine el caudal necesario, la caída de presión y la precisión de control de caudal requerida. Las válvulas de globo y las válvulas de ángulo se utilizan para aplicaciones que requieren un funcionamiento suave para distintos valores de caída de presión, mientras que un caudal elevado con una caída de presión modesta requiere válvulas de bola o de mariposa, y las válvulas antirretorno ayudan a evitar el reflujo en el sistema. El diseño de las válvulas se adapta a las demandas de caudal de diversas aplicaciones de proceso para evitar cualquier forma de desperdicio y garantizar que la válvula funcione según lo previsto.
Compatibilidad de materiales
Asegúrese de que los materiales utilizados en la fabricación de la válvula pueden soportar las propiedades químicas y físicas del fluido de proceso. Por ejemplo, se puede utilizar Hastelloy o titanio si la aplicación se encuentra en una zona altamente corrosiva, mientras que el hierro fundido o el latón servirán para una aplicación menos corrosiva.
Método de actuación
El método de accionamiento determina la precisión del control, el tiempo de respuesta y el consumo de energía.
El método de accionamiento afecta de manera muy especial a la precisión del control, el tiempo de respuesta y la eficiencia energética. Cada método tiene sus ventajas que se corresponden con determinadas condiciones operativas.
Actuadores neumáticos: Los actuadores neumáticos son conocidos por su alta velocidad de respuesta y, por tanto, son adecuados para aplicaciones que requieren operaciones frecuentes con ajuste fino. Debido a su diseño y construcción sin complicaciones, son muy ahorradores de energía en aplicaciones en las que el aire comprimido es fácilmente accesible. Sin embargo, la necesidad de un sistema de suministro de aire puede elevar también los costes de infraestructura. Los actuadores neumáticos proporcionan una precisión de control de aproximadamente ± 1% , que es adecuada para la mayoría de los procesos industriales.
Actuadores eléctricos: Los actuadores eléctricos son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren un control preciso y autónomo, con una precisión posible de ±0,1%. Eso los hace perfectos para su uso en sistemas que exigen un ajuste regular y fino para obtener el valor deseado de forma constante, por ejemplo, en la producción de fármacos o en la depuración de aguas. También suponen un considerable ahorro de energía y apenas disipan energía cuando están en uso. Sin embargo, su tiempo de respuesta es relativamente más lento que el de los actuadores neumáticos, lo que puede suponer una desventaja en aplicaciones que requieren un control de alta velocidad.
Actuadores hidráulicos: Al proporcionar una gran cantidad de fuerza, los actuadores hidráulicos son ideales para aplicaciones que requieren mucha fuerza, como la minería o la perforación en alta mar. Ofrecen un control constante en condiciones de alta presión y cargas fluctuantes, pero son relativamente lentos debido al fluido implicado. Las fugas también requieren un mantenimiento frecuente para solucionarlas porque también afectan a la eficiencia de la energía utilizada.
Mantenimiento y resolución de problemas de las válvulas de control
Las válvulas de control requieren un plan de mantenimiento eficaz para mejorar su fiabilidad y aumentar su rendimiento y vida útil. Las revisiones periódicas deben centrarse en piezas vitales como el cuerpo de la válvula, el vástago, las juntas y los actuadores para garantizar su correcto funcionamiento. Por este motivo, deben tenerse en cuenta los siguientes consejos de mantenimiento y recomendaciones para la resolución de problemas:
Inspecciones rutinarias
Debe realizarse un examen minucioso del cuerpo de la válvula y de las juntas para comprobar posibles fugas, corrosión o cualquier daño físico, especialmente en condiciones de trabajo extremadamente duras.
Resulta esencial realizar un seguimiento de las características de los actuadores y de su capacidad de respuesta a las señales de control para gestionar los primeros signos de fallo.
Busque cualquier signo de desalineación o daños en el vástago de la válvula que puedan causar atascos o hacer que la válvula funcione de forma ineficaz.
Solución de problemas
El fallo de uno o más accionamientos del actuador o los errores del accionamiento esclavo se asocian a fallos de funcionamiento de la señal de control que pueden impedir que se establezca el control. Estos errores suelen deberse a errores de calibración, fricción excesiva o daños físicos.
Los problemas que se accionan mecánicamente requieren atención inmediata. Estos pueden incluir inconsistencias en el suministro de aire (neumático), mal funcionamiento del actuador (eléctrico) o que el interruptor no suministre energía.
La posición de la válvula puede verse afectada por perturbaciones de la carga o por la acumulación de residuos alrededor de la válvula.
Uso adecuado
Para evitar sobreesfuerzos y un desgaste excesivo, utilice las válvulas de acuerdo con sus especificaciones de diseño, por ejemplo, en situaciones de alta presión o alta temperatura.
Conocer el principio de funcionamiento, los elementos estructurales y los límites de trabajo de la válvula de control es de gran importancia en las actividades de mantenimiento. Combinadas con un examen periódico y una reparación rápida, las válvulas de control pueden ofrecer un rendimiento fiable y constante incluso en aplicaciones industriales extremas.
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