UNIVERSIDAD DE ORIENTE

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS

CURSOS ESPECIALES DE GRADO

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL

MATURIN MONAGAS VENEZUELA

VÁLVULA DE SOLENOIDE

Profesor:

Edgar Goncalves

Realizado por:

Equipo DCS

Cedeño W. Anthony J C.I.: 20597736

López R. José A. C.I.: 21350912

Maturín, Marzo 2014

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................1

MARCO TEÓRICO................................................................................................................2

1. Válvula de solenoide.......................................................................................................2

2. Clasificación....................................................................................................................2

3. Válvulas de solenoide de acción directa.........................................................................3

4. Válvulas de solenoide operadas por piloto.....................................................................3

5. Válvulas de dos vías........................................................................................................4

6. Válvulas de tres vías.......................................................................................................5

7. Válvulas de cuatro vías...................................................................................................6

DISCUSIÓN...........................................................................................................................7

REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS....................................................................................10

ANEXOS..............................................................................................................................11

INTRODUCCIÓN

La válvula de solenoide es un dispositivo para controlar el flujo de un fluido a su paso por una tubería. Consiste en dos partes básicas, el solenoide y la válvula. El solenoide es una bobina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica para accionar, normalmente, la válvula desde la posición cerrada a la abierta, es decir, en ausencia de alimentación eléctrica la válvula está cerrada mediante un muelle y, al excitar el solenoide, se abre por atracción del émbolo unido al obturador.

La válvula también puede ser normalmente abierta (acción inversa), es decir que pasa a la posición de abierta, mediante un muelle, ante el fallo de la alimentación eléctrica. Para una máxima seguridad, la válvula de solenoide está continuamente excitada; de este modo, si falla la corriente, la válvula de control pasa a la posición de seguridad.

La bobina puede accionar directamente la válvula o bien puede hacerlo a través de una válvula piloto secundaria, en cuyo caso, la energía necesaria la suministra la presión del propio fluido.

La válvula puede ser de dos o tres vías. Una aplicación típica de la válvula de solenoide de tres vías es el enclavamiento de la válvula de control en una posición que suele ser la correspondiente a fallo de aire.

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MARCO TEÓRICO

1. Válvula de solenoide.

Este tipo de válvulas es controlada variando la corriente que circula a través de un solenoide (conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta corriente, al circular por el solenoide, genera un campo magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas válvulas operan de forma completamente abierta o completamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las que se controla el flujo en forma lineal.

Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar.

El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, se comporta como un electroimán. Atrae materiales ferromagnéticos, producto de la alineación de momentos magnéticos atómicos. El campo magnético, creado al circular corriente por el solenoide, actúa sobre el émbolo móvil de material magnético. Se produce una fuerza que ocasiona el desplazamiento del émbolo permitiendo el cierre o apertura de la válvula. En la Figura Nº1 se aprecia un esquema del fenómeno. La bobina o solenoide genera un campo magnético, de acuerdo a la Ley de Ampere:

Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o núcleo móvil, tal como se aprecia en la Figura Nº2.

La acción de esta fuerza de origen magnético constituye el principio de funcionamiento de toda válvula de solenoide.

2. Clasificación.

Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o forma:

Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante piloto. Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente cerrada. Según su forma: De acuerdo al número de vías.

A continuación se profundizarán cada una de estas categorías, detallando su funcionamiento y aplicación.

3. Válvulas de solenoide de acción directa.

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En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla el flujo debido al efecto de la fuerza de origen magnético directamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas válvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la válvula de solenoide de acción directa, normalmente cerrada de dos vías de la Figura Nº3.

En ella, al no circular corriente por la bobina, la aguja asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta, permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de la corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo por la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que permiten la instalación de la válvula en posiciones no verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de gravedad.

Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de presión entre la entrada y la salida del fluido, mayor tendrá que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar (o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula. Debido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia de presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este límite se conoce como “Diferencial Máximo de Presión de Apertura”.

4. Válvulas de solenoide operadas por piloto.

Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basan en una combinación de la bobina solenoide, descrita anteriormente, y la presión de la línea o tubería. En este tipo de válvulas, el émbolo está unido a un vástago de aguja, que a su vez cubre un orificio piloto en vez del puerto principal. En la Figura 4 se aprecia, a modo de ejemplo, una válvula de solenoide operada por piloto, normalmente cerrada, de dos vías con pistón flotante.

Existen tres tipos básicos de válvulas operadas por piloto:

Pistón Flotante. Diafragma Flotante. Diafragma Capturado.

Los tres tipos de válvulas operan con el mismo principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba del pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto, creando así un desbalance de presión a través del pistón o diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a la superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del puerto principal.

Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolo cae y el vástago de aguja cierra el orificio piloto, provocando la igualación de las presiones sobre y bajo el pistón o diafragma, los cuales caen para cerrar el puerto principal. En la Figura 5 es posible apreciar un diseño de válvula solenoide idéntico al de la Figura 4, sólo que ésta posee un diafragma flotante en vez de un pistón.

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Es usual observar en válvulas de tamaño mediano, que el orificio piloto se localiza encima del pistón o del diafragma. En válvulas grandes, donde es mayor el movimiento del diafragma o pistón, es frecuente ubicar el orificio piloto en un punto alejado del dispositivo móvil, por cuestión de diseño práctico. Se aprecia en la Figura 6 como la válvula solenoide piloto no hace contacto con el pistón, sino que maneja la presión que afecta a este a través de sus conexiones a la línea y a la cámara piloto. De esta manera, cuando la solenoide piloto está desenergizada, se acumula presión alta en la cámara piloto, provista a través de una conexión de alta presión, forzando la clausura del pistón. Al energizarse el solenoide, se libera la presión de la cámara piloto y se igualan las presiones, haciendo que el resorte levante el pistón y abra la válvula. Estas válvulas son conocidas también como “operadas por piloto externo”, dejando para las válvulas anteriores la denominación de “operadas por piloto interno”.

Al igual que las válvulas de acción directa, se deben tener ciertas consideraciones sobre la relación entre las presiones que afectan al pistón o diafragma. De esta forma, las válvulas solenoide operadas por piloto requieren de una mínima diferencia de presiones entre la entrada y la salida para producir la apertura del puerto principal y mantener al pistón o diafragma en posición abierta. Esta diferencia de presiones es conocido como “Diferencial Mínimo de Presión de Apertura”.

Variantes para Válvulas de Solenoide:

Los principios de operación ya vistos se aplican a una gran variedad de válvulas de solenoide, las cuales difieren entre ellas según ciertas variantes mecánicas y de construcción. Algunos ejemplos de estas variantes son:

Émbolos de Carrera Corta: Están rígidamente conectados a la aguja. Éstos siempre serán utilizados en válvulas de acción directa.

Émbolos de Carrera Larga: Dan un “golpe de martillo” a la válvula al producirse la apertura.

Construcción interconectada mecánicamente de pistón a émbolo: Se utiliza cuando no hay disponible una presión diferencial que haga flotar el pistón. Esta construcción permite que una válvula de solenoide relativamente grande abra y permanezca en posición abierta, con una mínima caída de presión a través de la válvula. Se usa principalmente en trabajos con líneas de succión.

Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte: Se utilizan en puertos de diámetros grandes.

5. Válvulas de dos vías.

De acuerdo a su forma, las válvulas se pueden clasificar según la cantidad de entradas y/o salidas que ella posee. De esta manera, los tres tipos principales de válvulas son las de dos, tres y cuatro vías.

La válvula de dos vías es el tipo de válvula solenoide más común, ya que posee una conexión de entrada y una de salida, controlando el flujo del fluido en una sola línea. Ya se

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ha explicado en profundidad el funcionamiento de válvulas de acción directa y operada por piloto y pistón, por lo que ahora se dará una reseña del funcionamiento de las válvulas con diafragma flotante.

En la Figura 7 se aprecia una válvula operada por piloto, normalmente cerrada y con diafragma flotante. Estas válvulas poseen un orificio igualador que comunica la presión de la entrada con la parte superior del diafragma, empujándolo contra el asiento y manteniendo, de esta manera, cerrada la válvula. El orificio piloto debe ser más grande que el orificio igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraído por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto, produciendo la reducción de la presión arriba del diafragma, igualándola con la de salida. El diferencial de presión resultante a través del diafragma crea una fuerza que lo levanta del puerto principal generando la apertura de la válvula. Al desenergizar la bobina se cerrará el orificio piloto, provocando que la presión de entrada se vaya por el agujero igualador y se igualen las presiones sobre y bajo el diafragma. De esta forma, el dispositivo se volverá a sentar y se cerrará la válvula.

Otra especificación de las válvulas de solenoide corresponde a agruparlas según su construcción, ya fuera como normalmente abierta o normalmente cerrada.

Básicamente, para el caso de las válvulas solenoide la especificación dependerá del sentido en que actúe la fuerza de la bobina sobre el émbolo. Para las válvulas de acción directa, en los casos en que la aplicación de energía a la bobina abra el puerto principal se hablará de una situación normalmente cerrada, ya que este será el estado de la válvula desenergizada. Esto se aprecia en la Figura 8.

En cuanto a las válvulas operadas por piloto, será normalmente abierta cuando el solenoide deba ser energizado de tal forma que produzca un desequilibrio de presiones para forzar el cerrado del pistón o diafragma. En algunos casos, la válvula estará normalmente abierta gracias a un resorte que forzará la apertura del pistón y ejercerá una fuerza opuesta a la del émbolo. Se observa una válvula normalmente abierta en la Figura 9.

La ventaja de las válvulas normalmente abiertas radica en que permanecerán abiertas en caso de fallas en el sistema eléctrico, algo necesario en algunos casos. Estas válvulas con utilizadas especialmente en labores que requieren que haya un flujo de fluido la mayor parte del tiempo.

6. Válvulas de tres vías.

Las válvulas de tres vías tienen una conexión de entrada que es común a dos conexiones de salida distintas, como la que se muestra en la Figura 10. Las válvulas de tres vías son, básicamente, una combinación de la válvula de dos vías normalmente cerradas y de la válvula de dos vías normalmente abierta, en un solo cuerpo y con una sola bobina. La mayoría de estas válvulas son operadas por piloto.

Veamos su funcionamiento. Al estar la bobina desenergizada, con el orificio piloto clausurado, en la parte superior del ensamble del pistón se tiene una presión P1, la cual llega a través de la conexión piloto externa que se observa a la derecha y arriba de la figura. La parte inferior del pistón se encuentra directamente expuesta a la presión de la entrada,

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P2, produciéndose una diferencia de presiones P2 - P1 que levanta el pistón. Esto permite el flujo de fluido desde la entrada hacia la salida inferior, ya que cierra el puerto para la salida lateral y lo abre para la salida de abajo.

Para producir el efecto de desviación, se debe energizar la bobina, con lo cual se levanta el émbolo y la aguja destapa el orificio piloto. De esta forma, se permite el paso del fluido presente en la entrada a través del tubo capilar y hacia la parte superior del ensamble del pistón. Así, se consigue una igualación de las presiones sobre y bajo el pistón, el cual es finalmente empujado hacia abajo por un resorte ubicado sobre éste. Se tendrá entonces que el puerto lateral se abre y el inferior se cierra, con lo que flujo se moverá hacia la salida lateral.

7. Válvulas de cuatro vías.

Estas válvulas solenoide son conocidas comúnmente como válvulas reversibles, cuya forma más usual se aprecia en la Figura 11. Éstas poseen una entrada y tres salidas. El funcionamiento de la válvula de cuatro vías se detalla en las Figuras 12 y 13, según el estado energético de la bobina. Cuando la bobina de la válvula piloto se encuentra sin energía, el pistón deslizante está posicionado de tal forma que conecta los puertos B con D1 y S1 con A. De esta forma, la sección superior del deslizante principal está acumulando la presión alta presente en la línea de descarga D. Por otro lado, la parte inferior del deslizante, provisto de un sello que lo aísla de la sección superior, se encuentra expuesta a la presión baja de la línea de succión S. Con esto, se genera un desbalance de presiones en el deslizante principal que provoca la fuerza que lo mantiene en su posición “abajo”. En estas condiciones, se comunican los puertos S y 1 a modo de válvula reversible, mientras los puertos D y 2 mantienen el flujo del fluido principal a través del deslizante de la válvula de cuatro vías.

Cuando el solenoide piloto se energiza, atrae hacia arriba el pistón y produce la comunicación entre los puertos A con D1 y los puertos B con S1. Esto produce una acumulación de la alta presión de la línea de entrada en la sección inferior del deslizante principal, mientras que la sección superior está expuesta a presión relativamente baja del canal S. Con esto, el deslizante principal es empujado hacia arriba, producto de la fuerza que aparece dada la diferencia de presiones en los extremos del deslizante. Finalmente, el flujo principal será sido desviado desde D hacia 1 y la válvula reversible ahora comunicará los puertos S y 2.

DISCUSIÓN

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En muchas aplicaciones es necesario controlar el paso de algún tipo de flujo, desde corriente eléctrica hasta gases o líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular, las accionadas por solenoides permiten su implementación en lugares de difícil acceso y facilitan la automatización del proceso al ser accionadas eléctricamente.

En la mayoría de las aplicaciones es necesario abrir o detener el flujo, para poder controlar automáticamente el flujo de fluidos en el sistema. Para este propósito, generalmente se utiliza una válvula de solenoide operada eléctricamente. Su función básica es la misma que una válvula de paso operada manualmente; pero, siendo accionada eléctricamente, se puede instalar en lugares remotos y puede ser controlada convenientemente por interruptores eléctricos simples. Las válvulas de solenoide pueden ser operadas por interruptores termostáticos, de flotador, de baja presión, de alta presión, por reloj, o cualquier otro dispositivo que abra o cierre un circuito eléctrico, siendo el interruptor termostático el dispositivo más común utilizado en sistemas de refrigeración.

Las válvulas solenoide pueden dividirse de manera general, en dos tipos: De acción directa, y Operadas por piloto. También por su construcción, las válvulas solenoide pueden ser: Normalmente cerradas, Normalmente abiertas y De acción múltiple. En el tipo de solenoides el de acción directa, se utiliza en válvulas con baja capacidad y puertos de tamaño pequeño. Y el operado por piloto, utilizan una combinación de la bobina solenoide y la presión de la línea. Hasta ahora, hemos hablado de manera general cómo opera una válvula de solenoide. En seguida, discutiremos los diferentes tipos de válvulas y sus aplicaciones respectivas. Los tres tipos principales de válvulas son: de dos vías, de tres vías y de cuatro vías. La válvula de dos vías es el tipo de válvula de solenoide más común, tiene una conexión de entrada y una de salida, y controla el flujo del fluido en una sola línea. Las válvulas de tres vías, tienen una conexión de entrada que es común a dos diferentes conexiones de salida. Y de ultimo tenemos las válvulas de solenoide de cuatro vías se conocen comúnmente como válvulas reversibles. Su uso es casi exclusivamente en bombas de calor, para seleccionar ya sea el ciclo de enfriamiento o el de calefacción, dependiendo del requerimiento. Estas válvulas tienen tres salidas y una entrada común.

Las válvulas solenoides se aplican fundamentalmente en la línea de líquido, tanto para control de operación, como para protección contra golpes de líquido, También en la línea de gas caliente para deshielo del evaporador, o para control de capacidad, y en la línea de succión para servicio y/o control en sistemas de refrigeración en paralelo. La forma de selección para las aplicaciones de gas es diferente.

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Al igual que es importante la adecuada selección de cualquiera de los accesorios, en el caso de las válvulas solenoide es muy importante, ya que si la válvula es muy chica para la capacidad requerida, ocasionará una gran caída de presión y por lo tanto pérdida de capacidad del sistema, y si se selecciona muy grande, podría no operar ya que estas requieren una mínima caída de presión de operación para poder permanecer abiertas; muchas válvulas son devueltas por garantía porque al parecer no funcionan y resulta que están buenas, sólo que fueron mal seleccionadas. También es importante insistir que las válvulas solenoide deben ser seleccionadas por su capacidad en toneladas y el tipo de refrigerante antes que por el diámetro de la conexión; de otra manera, pudiera ser que la válvula resultara muy chica e hiciera que el sistema pierda capacidad.

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CONCLUSIONES

Se vio que en los procesos industriales es necesario controlar el paso de algún tipo de flujo, desde corriente eléctrica hasta gases o líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas.

En particular, las accionadas por solenoides permiten su implementación en lugares de difícil acceso y facilitan la automatización del proceso al ser accionadas eléctricamente.

La válvula de solenoide es un dispositivo operado eléctricamente, y es utilizado para controlar el flujo de líquidos o gases en posición completamente abierta o completamente cerrada.

Se hallan muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o forma. Según su aplicación, su construcción y su forma.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS

1-CREUS, Antonio, Instrumentación Industrial, 8° edición, México: Editorial Alfaomega, 2010. 441 pag. ISBN: 978-607-707-042-9

2- Válvulas de Solenoide http://profesores.elo.utfsm.cl/~jgb/CARVALLOVARGASc.pdf (Mar 17 2014)

3- Válvulas de Solenoide http://www.fidena.edu.mx/biblioteca/LibrosMaquinas/libros%20curricula/7o.%20semestre/Refrigeracion%20II/Manual%20Tecnico%20de%20Refrigeracion/07%20Valvulas%20Solenoide.pdf (Mar 17 2014)

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ANEXOS

Figura 1 Campo producido por una bobina.

Figura 2 Movimiento del émbolo dentro de una bobina.

Figura 3 Válvula de Acción Directa.

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Figura 4 Válvula operada por piloto, normalmente cerrada de dos vías y pistón flotante.

Figura 5 Válvula operada por piloto, normalmente cerrada de dos vías y diafragma flotante.

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Figura 6 Válvula operada por piloto externo, normalmente cerrada de dos vías y pistón flotante.

Figura 7 Válvula operada por piloto, normalmente cerrada de dos vías y diafragma flotante.

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Figura 8 Válvula de acción directa, normalmente abierta de dos vías.

Figura 9 Válvula operada por piloto, normalmente abierta de dos vías y diafragma flotante.

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Figura 10 Válvula Solenoide de Tres Vías operada por piloto externo.

Figura 11 Válvula Solenoide de Cuatro Vías operada por piloto externo.

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Figura 12 Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Vías con bobina piloto desenergizada.

Figura 13 Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Vías con bobina piloto energizada.

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