Válvulas de control de diafragma neumático
Regulan el caudal del fluido de forma automática, con objeto de mantener constantes algunas características que, en determinados puntos de la red, pueden variar , tales como: presión, temperatura, concentración, nivel, etc. Las más empleadas son las de accionamiento neumático.
Estas válvulas cierran o abren, parcial a totalmente, según las indicaciones de un instrumento medidor de la característica en cuestión. También existen válvulas de control de accionamiento manual, aparte de que muchas de estas válvulas disponen de un volante para accionamiento en caso de avería del sistema automático.
Es frecuente que el paso de estas válvulas sea inferior (un 75% aproximadamente) al diámetro de la tubería en la que están instaladas. Generalmente son válvulas de doble asiento, al objeto de equilibrar las reacciones de la corriente de fluido y disminuir el esfuerzo necesario para mover el obturador.
Composición y funcionamiento:
Estas válvulas se componen del conjunto servomotor y actuador y de la válvula propiamente dicha, que puede ser de simple asiento, doble asiento (2 o 3 vías), de membrana, de mariposa, etc. (aunque por estar limitada la carrera del vástago, no son adaptables las válvulas de compuerta, que precisan grandes cursos para su apertura y cierre).
Para el accionamiento de estas válvulas se precisa poseer una fuente auxiliar de aire comprimido; pueden ser dirigidas desde cualquier distancia y actuadas por distintos instrumentos: termostatos, presostatos, termómetros, manómetros, reguladores de nivel, interruptores, etc.Los elementos de control actúan directamente sobre una válvula electromagnética que permite la entrada del aire comprimido a la cubierta de la membrana de accionamiento de la válvula de control.
El aire a presión entra por la parte superior de la cubierta , e incide sobre la cara superior de la membrana . Con el incremento de la presión del aire desciende el vástago accionador , mientras que si se corta la presión, el vástago asciende a su posición más elevada. Existen actuadores que operan al revés, al incidir el aire comprimido sobre la cara inferior de la membrana.
Partes principales:
1. Cubierta.
2. Membrana.
3. Placa de membrana.
4. Muelle del actuador.
5. Vástago accionador.
6. Asiento del muelle.
7. Tornillo regulador.
8. Conector de vástagos.
9. Tirante.
10. Placa índice.
11. Escala indicadora.La cubierta (1) es de acero fundido, interior y exteriormente galvanizado y adecuadamente pintada.
La membrana (2) es de goma sintética; muy empleado es el Buna N (material resistente a los disolventes y a muchos productos químicos y muy flexible) con inserción de tejido de nylon. Se diseña adecuadamente para mantener el área efectiva de la membrana lo más constante posible y con el objeto de conseguir una relación lineal entre la presión de accionamiento y el curso del vástago.
La presión proveniente del aparato de control que acciona la membrana, debe variar entre límites bien definidos. Las presiones normalmente usadas oscilan entre 0,21 y 1,05 kp/cm2.
La carrera total debe ser muy precisa y correspondiente con la forma del obturador.
La placa de membrana (3), de acero de alta resistencia, se ajusta a la membrana, guía el vástago accionador (5) y le transmite los desplazamientos de la membrana.
El muelle (4) es de acero al silicio y manganeso. Admite una gama normal de tensado entre 0,2 y 2 kp/cm2 (tensión máxima = cinco veces la mínima). Debe construirse y verificarse cuidadosamente, puesto que no existe ningún órgano regulador que permita variar su influencia en el funcionamiento.
El regulador de la tensión (inicial) del muelle es un tornillo (7) de cabeza hexagonal, fácilmente accesible y ajustable con llaves normales.
El conector de vástagos (8) es una tuerca partida que acopla el vástago accionador con el vástago de la válvula.
Una escala indicadora del curso (11) sobre la que se desplaza la placa índice (10), permite apreciar la posición del obturador de la válvula.
El tirante (9) da rigidez y protección al conjunto del accionador. Es además la pieza de unión al cuerno de la válvula.
La figura siguiente representa la propia válvula, de doble asiento.
La naturaleza del fluido y las condiciones de trabajo e instalación son los factores que definen la calidad del material del cuerpo y los espesores a adoptar. Este material debe ser muy resistente y adecuado para soportar las condiciones de presión, temperatura, corrosión y erosión. Gran parte de los cuerpos están constituidos por aceros al carbono o por fundiciones de alta resistencia. El empleo de la fundición está limitado por la presión nominal PN 16. Se excluye su uso con fluidos inflamables, o con líquidos sometidos a golpes de ariete. El acero al carbono, moldeado o forjado, se emplea para todas las presiones, con temperaturas hasta 400ºC. Para temperaturas superiores a la anterior deben utilizarse aceros al Cr-Mo.
Cuando el fluido es corrosivo, deben aplicarse aceros inoxidables al Cr y Cr-Ni. También pueden usarse ventajosamente el bronce y otras aleaciones similares. En caso de duda, es conveniente pedir consejo al constructor de la válvula.
El obturador, los anillos de asiento y las guías, deben estar construidos en acero inoxidable lo que repercute en una duración superior de la válvula.En caso de líquidos que contengan partículas sólidas o en caso de vapor recalentado y ,de modo general, cuando las presiones diferenciales son muy importantes, es conveniente aplicar
Mediante soldadura, un recubrimiento de aleación muy dura: “Stellite", 'Colmonoy”, o “Hastelloy", sobre el obturador y sus asientos.
Estas aleaciones son muy resistentes a la corrosión y a la erosión y son inalterables a altas temperaturas. Los anillos del asiento están roscados al cuerpo, para poder cambiarlos fácilmente. Se fijan con resinas adecuadas resistentes a la acción del fluido.Mención especial merece el prensaestopas de una válvula de regulación. La guarnición del prensaestopas se hace de cordón de amianto en fibra, trenzado e impregnado de grasas lubrificantes no solubles en el fluido y resistentes a su temperatura. Si el husillo de la válvula no se lubrifica con una cierta frecuencia, puede agarrotarse al cabo de cierto tiempo de funcionamiento. Recientemente se ha difundido el empleo de grasas de silicona, químicamente inertes, cuyas propiedades viscosas no son alteradas por las temperaturas altas o bajas.
La adopción de aceros inoxidables de alto contenido en Cr en la construcción de los husillos ha hecho necesario el empleo de anillos de empaquetadura no grafitada. El grafito provoca una rápida corrosión de naturaleza electrolítica.
Relativamente reciente es el empleo de guarniciones confeccionadas con resina de politetrafluoretileno. Este tipo de guarniciones dan un ínfimo rozamiento al movimiento del husillo sin que sea necesario el empleo de lubricantes, son inertes a todos los agentes químicos y resisten temperaturas que van de –100º a 260ºC.Donde es necesario evitar en absoluto la posibilidad de pérdi¬das, por ejemplo de freón en cámaras frigoríficas, o bien evitar infiltraciones de aire en caso de vacío, se sustituye la estopa por un elemento metálico flexible, o fuelle, que puede dilatarse durante toda la carrera del husillo. El empleo de un fuelle reduce la posibilidad de perdidas, pero la acumulación en él de residuos o la solidificación del fluido, pueden comprometer el funcionamiento de la válvula.
La figura de la izquierda representa el conjunto de cuerpo y actuador montados de doble asiento ,mientras que la figura de la derecha representa una válvula de simple asiento.Las válvulas de control de diafragma neumático constituyen el medio más corriente de obtener un mando automático en instalaciones industriales.
En el conducto de aire comprimido se suele disponer una válvula reductora de presión, con el fin de evitar un exceso de presión sobre la membrana; aquella debe ser la suficiente para superar la ten¬sión ejercida por el muelle y la resistencia pasiva creada en el prensaestopas.
Además de la forma de trabajo, hay cuatro factores que determinan las características de una válvula de control: la seguridad de la instalación, las solicitaciones estáticas y dinámicas que actúan sobre la válvula, la naturaleza del fluido que la atraviesa y el tipo de regulación que se debe efectuar.
Es prácticamente imposible conseguir la válvula ideal para cada caso concreto, puesto que el número de combinaciones posibles de materiales y formas es tan grande, que si se adaptan a una rígida imposición de requisitos, resultarían una construcción y un mantenimiento antieconómicos. Por ello hay que aunar las razones económicas con las exigencias técnicas y adoptar un suficiente pero limitado número de tipos normales.
La seguridad de la instalación y del proceso son los factores que imponen una primera clasificación de tipos de válvulas: en caso de fallo del suministro de aire al diafragma, es conveniente a veces que quede interrumpido el flujo regulado; otras veces, al contrario, será preferible que la válvula quede completamente abierta.
Se exige así, en el primer caso, una válvula que abra con aire (de acción inversa) y cierre automáticamente si se corta la presión.En el segundo caso, más corriente, la presión de aire cierra la válvula (de acción directa) y ésta queda abierta sí falta totalmente la presión .
Existen, pues, válvulas de acción inversa y de acción directa específicas y válvulas que, mediante el cambio de posición de algunos órganos, pueden trabajar de una u otra forma.
La diferencia de presiones existente en el fluido antes y después de la válvula (presión diferencial), es el factor que determina la segunda clasificación.
Cuando la válvula está completamente cerrada, la presión diferencial es máxima; ésta decrece rápidamente al abrir la válvula, alcanzando un mínimo con la apertura completa.
Una válvula de diafragma, para poder regular correctamente, debe trabajar entre límites definidos de presiones diferenciales.
Por ejemplo, en una válvula de asiento simple, mientras la presión neumática actúa sobre la membrana, la presión diferencial lo hace sobre obturador; es evidente que la fuerza ejercida por aquella debe ser muy superior a la ejercida por ésta (10 veces mayor como minino), para evitar desplazamientos anormales del obturador que se traducirían en variaciones del flujo perjudiciales a la marcha del proceso regulado.
El asiento simple es más adecuado para presiones diferenciales bajas, puesto que si éstas fueran altas, requerirían el empleo de diafragmas de grandes dimensiones.En el último caso, se adoptan generalmente válvulas de doble asiento equilibrado, en las que se anula prácticamente la influencia de la presión sobre el obturador, puesto que, mientras en un asiento la presión diferencial actúa en un sentido, en el otro asiento lo hace en sentido contrario.
En una válvula de doble asiento es, sin embargo, muy difícil obtener un cierre hermético (es normal una pérdida que no supera el del gasto máximo).
En casos muy particulares, puede obtenerse un cierre perfecto a una temperatura determinada. Pero ,a causa de la distinta dilataciones de los diferentes órganos que componen la válvula, el cierre no puede ser mantenido cuando se somete la válvula a temperaturas variables.Si con altas presiones diferenciales se requiere un perfecto cierre, cabe, o bien utilizar una válvula de asiento sinp1e con un diafragma de grandes dimensiones, o bien adoptar un dispositivo neumático llamado posicionador.¬
El posicionador consiste esencialmente en un relé neumático conectado entre el aparato regulador y el diafragma de la válvula y provisto de alimentación de aire propia. Modifica la presión procedente del aparato regulador y actúa en el sentido de vencer cualquier resistencia que se oponga a conseguir una justa abertura de la válvula.
El posicionador corrige automáticamente la influencia de las presiones estática y dinámica sobre el obturador, el roce en el husillo y la histéresis propia de la membrana; con el se consigue una regulación fácil y precisa.