ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

ContenidoSimbologaTipos de Vlvulas ClusterNormatividad IndustrialPartes de una Vlvula: Cuerpo, Tapa, Empaquetadura, Obturador / Asiento.Clculos de parmetros de la vlvulasActuadores y posicionadorControladorRuido en vlvulas Cavitacin

Smbolos para elementos finales de control

Vlvula globo

Vlvulas de globoObturadores de movimiento linealAsiento simpleAsiento dobleObturador equilibradoVlvula en nguloLas vlvulas de asiento simple se emplean para fluidos en baja presin.

Las vlvulas de asiento doble o de obturador equilibrado se emplean en vlvulas degran tamao y alta presin diferencialVlvulas de nguloPermite un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuir la erosin.

El diseo de esta vlvula es idnea para trabajar con: fluidos que vaporizan, grandes presiones diferenciales y fluidos que contienen slidos en suspensin.

Vlvula de tres vas mezcladoraObturadores de movimiento linealVlvula de tres vas diversoraVlvula de jaulaVlvula de compuertaVlvulas de tres vasVlvulas de jaulaVlvulas de compuertaSe emplean generalmente para mezclar fluidos o bien para derivar de un flujo deentrada dos de salida. Es una vlvula muy resistente a las vibraciones y aldesgaste, se emplean en vlvulas de gran tamao y fluidos de alta presin diferencial.Se utiliza en control de todo-nada, ya que en posiciones Intermedias tiende a bloquearse, se caracteriza por su baja prdida de carga.

Obturadores de movimiento linealVlvula en YVlvula de cuerpo compartidoVlvula SaudersVlvula de compresinVlvulas en YVlvulas de cuerpo compartidoVlvulas de SaundersVlvulas de compresinEs adecuada como vlvula de cierre y de control, se caracteriza por su baja perdida de carga y gran capacidadde caudal, adems posee un autodrenaje con un ciertongulo. Se emplea para fluidos viscosos y en la industria de alimentos, es una modificacin de la vlvula de asiento simple, con el cuerpo partido en dos partes entre las cuales presiona el asiento.El obturador es una membrana flexible que a travs de un vstago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo. El cuerpo de la vlvula puede revestirse con gomao plstico para fluidos agresivos. Funciona mediante la opresin de dos o mas elementosflexibles, se aplican en el manejo de fluidos corrosivos, viscosos o con slidos en suspensin.

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Obturadores de movimiento circular

Vlvula de bolaVlvula de mariposaVlvula de obturador cilndrico excntricoVlvula de obturador excntrico rotativoVlvulas de obturador excntrico rotativoVlvulas de obturador cilndrico excntricoVlvulas de mariposaVlvulas de bolaConsiste de un obturador de superficie esfrica que tiene un movimiento rotativo excntrico y que esta unido al eje de giropor uno o dos brazos flexibles. Se caracteriza por su gran capacidad de caudal y por su elevada prdida de carga. Es una vlvula de bajo costo y tiene una capacidad relativamentealta, se puede cubrir con un revestimiento de tefln o goma paramanejar fluidos corrosivos y lquidos viscosos. Se emplean para control de grandes caudales de fluidos a baja presin.Se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la vlvula en una presin elevada.Se emplea en fluidos negros o bien en fluidos con gran Porcentaje de slidos en suspensin.

Vlvula de machoObturadores de movimiento circular

Vlvula de orificio ajustableVlvula de flujo axialVlvulas de machoVlvulas de orificio ajustableVlvulas de flujo axialConsiste en un cilindro con un orificio transversal igual al dimetro interior de la tubera. Se utiliza generalmente en elcontrol manual todo o nada de lquidos o gases y en la regulacin de caudal.Consiste en un cilindro que est 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 lquidos, vapor, aire comprimido y lquidos en general.Consiste en un diafragma accionado neumticamente que mueve un pistn, el cual comprime un fluido hidralico contra unobturador formado de material elastmero. El obturador se Expande para cerrar el flujo. Esta vlvulas son silenciosas y seemplean en gases

En los procesos industriales es comn controlar el flujo de varias tuberas a travsde un nodo o matriz de vlvulas de 4 o 5 vas.Las matrices de vlvulas se encuentran comnmente en las industrias de procesamiento de bebidas, cerca de las etapas de almacenamiento en tanques y cisternas. Cabe sealar que en este tipo de industrias es obligatorio el uso de acero inoxidable en todo el proceso.

Cluster Normatividad Industrial

NOM NMX

Fabricantes

Identifique cada una de las siguientes vlvulas

EvaluacinCuerpo de la vlvula Material Presin nominal lb

Bronce 150 300

Hierro 125fundido 250

Acero al carbn: C 0.3%, Mn 1%, P 0.05%, Si 0.6 %, S 0.06% Acero Inoxidable 18/8: C 0.08%, Mn 1.5%, P 0.04%, Si 2 %, S 0.04%, Cr 18-21, Ni 8-11 En aquellos procesos donde el fluido es un agente qumico corrosivo para el metal, se emplean cuerpos para vlvulas con materiales termoplsticos como: Cloruro Polivinilo PVC Polipropileno PP Fluoruro Polivinilideno PVDF Cloruro Polivinilo Clorinado PCVC Polipropileno Fibra de Vidrio PPG

En Cuerpo de la vlvula debe resistir la temperatura y la presin del fluido sin perdidas, tener un tamao adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosin o la corrosin.

La tapa de control une el cuerpo al servomotor, y en su interior se desliza el vstago del obturador accionado por el motor.

Para que el fluido no se escape a travs de la tapa es necesario disponer una caja de empaquetadura, la cual debe ser elstica, soportar la temperatura de trabajo, con un bajo coeficiente de rozamiento, qumicamente inerte y ser dielctrico.

Tapa de la vlvula Empaquetadura

Tipos de empaquetaduras:

1) Tefln V (anticorrosin),

2) Perfluoelastmero con anillos de tefln rellenos con fibras de grafito,

3) Grafito con filamento o laminado o en cinta.PTFE: politetrafluoretileno o Tefln

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

Porcentaje de carrera de la vlvula

Porcentaje de CaudalCaracterstica de caudal inherenteApertura rpida: El caudal aumenta mucho al principio de la Carrera llegando rpidamente al mximo. 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 flua antes de la variacin.

Otras curvas caractersticas son: parablica, tajadera, mariposa ybola.

Jaulas para vlvulas de globo1. Qu significa usar una vlvula ANSI 150-300?2. Qu tipos de empaquetaduras se utilizan en las vlvulas?3. Cules son las respuestas caractersticas de un obturador / Asiento? 4. Qu propiedades debe poseer la caja de empaquetadura?EvaluacinClculo de parmetros de la vlvula Lquido Gas VaporIdentificar el procesoTemperaturaLquidoGravedad especificaViscosidadFlujo Coeficiente de Flujo CvCada de presinPresin de entradaSaturacinGasTemperaturaGravedad especificaDatos del procesoDatos de salida 1 de 2 conocidosFlujo Coeficiente de Flujo CvCada de presinFlujo Coeficiente de Flujo CvCada de presinTipo de obturador de vlvula previamente seleccionado

Caractersticas de caudal efectivasEn la mayor parte de las vlvulas que trabajan en condicionesreales, la presin diferencial cambia cuando vara la apertura de la vlvula,

F - Fuerza requerida para cerrar la vlvula.

A - rea de paso del asiento.

P - Presin diferencia a travs de la vlvula.

FFriccin - Friccin permitida para el vastago del obturadorDe modo general, el caudal que pasa por la vlvula corresponde a la ecuacin:

Donde Qv es el caudal a trves de la vlvula y K es una constante.

Capacidad de un vlvula de controlKcGc

KvGv

KpGp

+-M(s)A(s)C(s)Controlador Vlvula ProcesoRDiagrama de bloques, en donde M(s) es la posicin del vstago de la vlvula, A(s) es el flujo del fluido de proceso producido por la ubicacin instantnea del vstago, Definiciones:Kv Flujo en m3/h, EuropaCv Flujo en galones por minuto GPM, EUA Av Flujo en m3/s, En las vlvulas de control ajustables los coeficientes Cv o Kv representan una relacin de 100:1. En estasVlvulas se limita en un valor ajustable la carrera del obturador con lo que se reduce el valor de Cv o KvEquivalencia:

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

Tamao de la vlvula Para determinar el tamao requerido de una vlvula se necesita conocer:El flujo volumtrico a travs de la vlvula VLa presin diferencial a trves de la vlvula PEl flujo o caudal de la vlvula se determina :

Donde Kv es el coeficiente de flujo, P es la presin diferencia a travs dela vlvula y G es la densidad relativa / gravedad especifica del proceso.Si el proceso es Agua G=1 y la ecuacin anterior se simplifica:

Ejemplo:En un circuito se bombea 10 m3/h de agua, determine la cada de presin a travs de la vlvula, con Kv=16.

V=10m3/h y Kv=16, se despeja de la ecuacin anterior para P

El agua que circula a travs de un sistema, incurrir en perdidas por friccin, estas perdidas pueden expresarse como cadas de presin que incrementaran en proporcin cuadrtica la velocidad, entonces el flujo puede calcularse por la siguiente relacin:

donde, V1 es el flujo para una perdida de presin P1 y V2 es el flujo para una perdida de presin P2.Ejemplo:Se observa que el flujo V1 a travs de una tubera es de 2500 m3/h, cuando la cada de presin P1 es de 4 bar. Determine la cada de presin P2 si el flujo V2 es 3500 m3/h.Tamao de la vlvula

EvaluacinSelecciona el tamao de vlvula correcto para las siguientes aplicaciones:

5. Caudal mximo 150 000 l/h Densidad 0.9 Temperatura 80CPerdida de carga 5 bar1 m3= 1000 lKv=Cv=6. Caudal mximo 45 m3/h Densidad 0.7 Temperatura 100CPerdida de carga 3 barKv=Cv=7. Caudal mximo 950 000 l/h Densidad 0.95 Temperatura 25CP1 = 18 bar P2 = 24 barKv=Cv=ActuadoresLa operacin de una vlvula de control involucra posicionar las partes movibles (obturadores) relativamente al asiento estacionario de la vlvula. El propsito del actuador de una vlvula es colocar con precisin el obturador en una posicin marcada por la seal de control. El actuador recibe la seal de un sistema de control, y en respuesta mueve la vlvula a unaposicin totalmente abierta, totalmente cerrada o a una posicin intermedia, dependiendo delcontrol usado (ON/OFF o Continua).Los actuadores principales son de tipo neumtico y elctrico. Otros sistemas de actuadores son hidrulicos y de accin directa.

Actuador NeumticoSon comnmente usados en vlvulas de control y vienen en dos sistemas:Actuador de pistnActuador de diafragma

Actuador de pistn. Se usan cuando la carrera del vstago es muy corta. El aire comprimido seaplica a un pistn, al interior de un cilindro slido. El pistn puede ser simple o de doble accin. Pueden resistir altas presiones de entrada en cilindros de volumen pequeo, y responder a alta velocidadActuador de diafragma. El aire comprimido se aplica sobre una membrana flexible o diafragma, cuya rea es constante a travs de la carrera del vstago. Este actuador es de accin simple, donde el aire se suministra de un solo lado. Pueden ser de accin directa (resorte para retraer) o de accin reversa (resorte para extender).

La eleccin de un actuador neumtico de diafragma de accin directa o de accin 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 vlvulas de cierre en procesos de vapor y usar vlvulas de apertura en procesos de enfriamiento. En consecuencia se debe considerar la combinacin de actuador y tipo de vlvula.

Todo buen ingeniero deber basar su criterio de diseo en la seguridad del usuario final.PosicionadoresPara muchas aplicaciones una presin de 0.2 a 1 bar en la cmara del diafragma puede no sersuficiente para sobrellevar la friccin y la presin diferencial. Un sistema de control de alta presin 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 intensin demonitorear la posicin

Posicionadores DigitalesAlgunas veces llamados posicionadores SMART, un posicionador digital monitora la posicin de la vlvula y convierte esta informacin en forma digital, que mediante un micoprocesador se puede lograr: 1) alta precisin en la posicin de la vlvula, 2) adaptabilidad en los cambios de control, 3) sistemas de rutina para auto ajuste y calibracin, 4) diagnostico en lnea y monitoreo centralizado mediante sistemas de comunicacin en protocolos HART, Fieldbus o Profibus.

Posicionadores y actuadores neumticos rotativos

Este tipo de actuadores se aplican en vlvulas de bola, mariposa, y accin rotativa. El tipo de pistn es el ms comnmente usado, el cual consta de dos pistones al interior de una cmara quecomprimen una flecha centrada. Los pistones y la flecha tiene un sistema de riel dentado y pinpara transferir el movimiento. Actuador ElctricoLos actuadores elctricos utilizan un motor con requerimientos de voltaje de: 230 Vac, 110 Vac, 24 Vac y 24 Vdc. Existen dos tipos de actuadores elctricos: VMD Valve Motor DriveModulado

VMDOpera en tres estados: Control para cerrar la vlvula, Control para abrir la vlvula y Sin movimiento. Un switch extermo conmuta los estados de operacin del sistema VMD. Un controlador posiciona la vlvula en cierre y abertura, por un cierto tiempo asegurando que logra la posicin deseada por retroalimentacin.

Modulado

Un circuito de posicionamiento debe ser incluido en el modulador del actuador, el cual acepta una seal de control anloga (tpica 0-10V o 4-20 mA). El actuador interpreta esta seal como Una posicin de la vlvula entre los lmites, para lograrlo en actuador posee un sensor de posicin (usualmente un potenciometro), el cual retroalimenta la posicin de la vlvula al circuito. Los actuadores elctricos ofrecen fuerzas especificas, que dependern del modelo, Es deseable consultar las hojas tcnicas del fabricante en la presin diferencial a travs de la vlvula para determinar el tamao del actuador.

Una limitacin de los actuadores elctricos es su respuesta lenta en la velocidad de movimiento de la vlvula, que puede llegar a ser de 4 seg/mm.Evaluacin

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

9. Los actuadores de diafragma pueden ser ________________ o de _____________10. Cual es el propsito de agregar un posicionador al actuador?11.Que diferencia existe en el funcionamiento de un actuador elctrico VMD y modulado?EvaluacinControlador. El controlador recibe una seal, toma la accin que sea necesaria y enva una seal al actuador para que realice un movimiento. La mayora de los controladores se basan en electrnica digital, microprocesadores, PLC y PC. Algunos de los ejemplos tpicos de control son:Controlador de lazo simple. Opera una vlvula y actuador desde un sensor.Controlador de lazo mltiple. Puede operar ms de una vlvula y actuador desde varios sensores.Entrada y salida simple. Puede aceptar la seal de un solo sensor y enviar la seal a un solo actuador.Entradas y salidas mltiples. Puede aceptar varias seales y enviar varias seales.Tiempo Real. Puede incluir un temporizador para interrupcin a un tiempo predeterminado.Lapso de tiempo. Puede generar una interrupcin para un tiempo o lapso predeterminado, antes o despus de la seal de paro y arranque de la planta. Rampa y escaln. Sigue un patrn de secuencia en cambio y mantenimiento. (Figura de la izquierda)

Seales de Comunicacin Electrnica.HARTPROFIBUSFOUNDATION FIELDBUSHighway Addressable Remote Transductor. Es un protocolo de comunicacin para dispositivos de control en campo con una seal de control analgica de 4-20mA en FSK de 1200 Baud. Es el sistema de comunicacin mas usado en los procesos industriales. Protocolo de comunicacin digital en serie, que permite la comunicacin de dispositivos de diferente fabricante, se usa en aplicaciones criticas de alta velocidad y sistemas complejos. La transmisin puede ser por RS-485 o fibra ptica. Su estructura en red se conforma de tres niveles: 1) nivel de sensores y actuadores, 2) nivel de sistemas automticos en terminales de sensores y vlvulas, 3) nivel de clulas de comunicacin entre PLC y PC con conexin a Ethernet.Es un sistema se comunicacin serial digital de dos vas, que funciona como una red de rea local LAN de los dispositivos de instrumentacin y control de la fabrica o planta. Entre sus caractersticas estn: 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.

Topologa de una red IndustrialPropsito: Lograr una automatizacin integral a travs de un mejor control y monitoreo del proceso en tiempo real, as como alcanzar una comunicacin eficiente entre los departamentos de la planta. Ruido en las vlvulas de controlEn las industrias de proceso intervienen muchos factores que contribuyen al mantenimiento de altos niveles de ruido, entre los cuales, uno de los ms importantes es el generado durante el funcionamiento de las vlvulas de control instaladas en las tuberas que transportan lquidos, gases y vapor. Las leyes y normas industrial obligan a la reduccin del ruido sobre un nivel admisible.Causas del ruido en vlvulasVibracin mecnica. Es debida a las fluctuaciones de presin casuales dentro del cuerpo de la vlvula y al choque de fluido con las partes mviles. Otra causa, es la resonancia de un componente vibrando a su frecuencia natural.Ruido Hidrodinmico. Es producido por los lquidos al circular a travs de la vlvula, pudiendo encontrarse en varios estados: Sin cavitacin, con cavitacin y con vaporizacin. Se encuentra una banda estrecha L sin emisin de sonido, sigue una banda T con ruido moderado y un campo crtico Z1-Z2 donde se pueden provocar daos importantes en las vlvulas.Ruido aerodinmico. Proviene del flujo turbulento del vapor, del aire y otros gases, siendo despreciable en los lquidos. Se produce por obstruccin en el flujo, expansin rpida o deceleracin por codos o curvas en la tubera.

Daos por cavitacin en las partes internas de una vlvula.CavitacinLa cavitacin o aspiracin en vaco es un efecto hidrodinmico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresin del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presin de vapor del lquido de tal forma que las molculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formndose burbujas o, ms correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presin e implotan (el vapor regresa al estado lquido de manera sbita, aplastndose bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un rpido desgaste de la superficie que origina este fenmeno.

La implosin causa ondas de presin que viajan en el lquido. Estas pueden disiparse en la corriente del lquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presin es la misma, el material tiende a debilitarse metalrgicamente y se inicia una erosin que, adems de daar la superficie, provoca que sta se convierta en una zona de mayor prdida de presin y por ende de mayor foco de formacin de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared slida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el lquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie slida.

El fenmeno generalmente va acompaado de ruido y vibraciones, dando la impresin de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la mquinaCavitacin

CavitacinEvaluacin12. Cul es la funcin de un controlador? y mencione un ejemplo.13. Cules son los protocolos de comunicacin mas usados en la Industria?14. Cual es la finalidad de implementar un protocolo Fieldbus en la industria?15. Cmo afecta la cavitacin el funcionamiento de una vlvula?Evaluacin