Válvulas solenoides

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Válvulas solenoides

  1. 1. Junio 2003 Válvulas de Solenoide Juan Pablo Carvallo, René Vargas Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Técnica Federico Santa María, Casilla 110-V, Valparaíso, Chile _________________________________________________________________________________________________________ResumenLas válvulas de solenoide permiten un control on-off mediante variaciones de corriente eléctrica en su bobina. Son utilizadasampliamente en control de flujo en sistemas neumáticos.Palabras Clave - Campo Electromagnético, Válvula, Solenoide, Diferencia de Presión._________________________________________________________________________________________________________1. INTRODUCCION En muchas aplicaciones es necesario controlar el pasode algún tipo de flujo, desde corriente eléctrica hasta gases olíquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular,las accionadas por solenoides permiten su implementación enlugares de difícil acceso y facilitan la automatización delproceso al ser accionadas eléctricamente.¿Qué es una válvula de solenoide? Este tipo de válvulas es controlada variando lacorriente que circula a través de un solenoide (conductorubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Estacorriente, al circular por el solenoide, genera un campomagnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estasválvulas operan de forma completamente abierta ocompletamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las Figura 1: Campo producido por una bobina.que se controla el flujo en forma lineal. Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolovuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte opor presión del fluido a controlar.Electroimanes El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, secomporta como un electroimán. Atrae materialesferromagnéticos, producto de la alineación de momentosmagnéticos atómicos. El campo magnético, creado al circular Figura 2: Movimiento del émbolo dentro de una bobina.corriente por el solenoide, actúa sobre el émbolo móvil dematerial magnético. Se produce una fuerza que ocasiona el 2. CLASIFICACIÓNdesplazamiento del émbolo permitiendo el cierre o aperturade la válvula. En la Figura Nº1 se aprecia un esquema del Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todasfenómeno. La bobina o solenoide genera un campo ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sinmagnético, de acuerdo a la Ley de Ampere: embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, r r construcción o forma: ∫ H ⋅ dl = iabrazada Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o piloto.núcleo móvil, tal como se aprecia en la Figura Nº2. Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente La acción de esta fuerza de origen magnético cerrada.constituye el principio de funcionamiento de toda válvula de Según su forma: De acuerdo al número de vías.solenoide. A continuación se profundizarán cada una de estas categorías, detallando su funcionamiento y aplicación.
  2. 2. de acción directa se limitan a aplicaciones en las que se3. VÁLVULAS DE SOLENOIDE DE ACCIÓN trabaja con diferencias de presiones y caudales pequeños. DIRECTA Para grandes flujos y presiones se utilizan válvulas de solenoide operadas por piloto. En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla elflujo debido al efecto de la fuerza de origen magnéticodirectamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas 4. VÁLVULAS DE SOLENOIDE OPERADAS PORválvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la PILOTOválvula de solenoide de acción directa, normalmente cerrada Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basande dos vías de la Figura Nº3. 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.Figura 3: Válvula de Acción Directa. En ella, al no circular corriente por la bobina, la agujaasociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificiodeteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera uncampo magnético que ejerce fuerza sobre el émboloatrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta,permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de lacorriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Figura 4: Válvula operada por piloto, normalmente cerradaEste cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la de dos vías y pistón flotanteaguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujopor la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que Existen tres tipos básicos de válvulas operadas porpermiten la instalación de la válvula en posiciones no piloto:verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de • Pistón Flotante.gravedad. • Diafragma Flotante. Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de • Diafragma Capturado.presión entre la entrada y la salida del fluido, mayor tendráque ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar Los tres tipos de válvulas operan con el mismo(o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula. principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo esDebido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificiode presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba dellímite se conoce como “Diferencial Máximo de Presión de pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto,Apertura”. creando así un desbalance de presión a través del pistón o diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a laDiferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD): superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del puerto principal. Tal como se dijo anteriormente, mientras mayor sea ladiferencia de presiones entre la entrada y la salida, más Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolofuerza será necesaria para abrir o cerrar la válvula. También, cae y el vástago de aguja cierra el orificio piloto, provocandomientras mayor sea el orificio de la válvula, mayor será el la igualación de las presiones sobre y bajo el pistón oárea afectada por esta diferencia de presiones, haciendo aún diafragma, los cuales caen para cerrar el puerto principal. Enmás difíciles los movimientos de la aguja asociada al émbolo. la Figura 5 es posible apreciar un diseño de válvula solenoidePor lo tanto, dado la fuerza máxima con que el electroimán idéntico al de la Figura 4, sólo que ésta posee un diafragmapuede atraer al émbolo, existe un límite para la diferencia de flotante en vez de un pistón.presiones entre la entrada y la salida. Si la presión excedeeste límite, el solenoide será incapaz de mover al émbolo, Es usual observar en válvulas de tamaño mediano, quedejando a la válvula sin capacidad de actuación. Si se el orificio piloto se localiza encima del pistón o delrequiere de un gran MOPD, la fuerza que deberá ejercer el diafragma. En válvulas grandes, donde es mayor elcampo sobre el émbolo deberá ser grande. De esta manera, movimiento del diafragma o pistón, es frecuente ubicar elserá necesaria una gran bobina, aumentando los costos de orificio piloto en un punto alejado del dispositivo móvil, porconstrucción de la válvula. Debido a lo anterior, las válvulas cuestión de diseño práctico. Se aprecia en la Figura 6 como la
  3. 3. válvula solenoide piloto no hace contacto con el pistón, sino Ello exigiría una mayor fuerza magnética, lo que implica unque maneja la presión que afecta a este a través de sus gasto excesivo en una bobina del tamaño adecuado.conexiones a la línea y a la cámara piloto. De esta manera, Es por esto que en aplicaciones de actuación encuando la solenoide piloto está desenergizada, se acumula presencia de presiones mayores, se utilizan las válvulas depresión alta en la cámara piloto, provista a través de una solenoide operadas por piloto. El objetivo de la actuación, laconexión de alta presión, forzando la clausura del pistón. Al apertura del orificio piloto, es que sea realizada con el menorenergizarse el solenoide, se libera la presión de la cámara esfuerzo posible. Sin embargo, en las válvulas operadas porpiloto y se igualan las presiones, haciendo que el resorte piloto es necesario un diferencial de presión específico unalevante el pistón y abra la válvula. Estas válvulas son vez que el orificio piloto ha permitido la igualación de lasconocidas también como “operadas por piloto externo”, presiones de entrada y salida. Este MinOPD es requeridodejando para las válvulas anteriores la denominación de para levantar al pistón o diafragma del puerto principal.“operadas por piloto interno”. Es importante señalar que las válvulas operadas por piloto, al igual que las de acción directa, deben evitar exceder su MOPD, para lograr un flujo adecuado dentro de la línea. 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 laFigura 5: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada válvula. Se usa principalmente en trabajos con líneas dede dos vías y diafragma flotante succión. • Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte: Se utilizan en puertos de diámetros grandes. 5. VÁLVULAS DE DOS VIAS 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 ha explicado en profundidad el funcionamiento de válvulas de acción directa y operadas 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,Figura 6: Válvula operada por piloto externo, normalmente normalmente cerrada y con diafragma flotante. Estas válvulascerrada de dos vías y pistón flotante 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 Al igual que las válvulas de acción directa, se deben válvula. El orificio piloto debe ser más grande que el orificiotener ciertas consideraciones sobre la relación entre las igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraídopresiones que afectan al pistón o diafragma. De esta forma, por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto,las válvulas solenoide operadas por piloto requieren de una produciendo la reducción de la presión arriba del diafragma,mínima diferencia de presiones entre la entrada y la salida igualándola con la de salida. El diferencial de presiónpara producir la apertura del puerto principal y mantener al resultante a través del diafragma crea una fuerza que lopistón o diafragma en posición abierta. Esta diferencia de levanta del puerto principal generando la apertura de lapresiones es conocido como “Diferencial Mínimo de Presión válvula. Al desenergizar la bobina se cerrará el orificiode Apertura”. piloto, provocando que la presión de entrada se vaya por el agujero igualador y se igualen las presiones sobre y bajo elDiferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD): diafragma. De esta forma, el dispositivo se volverá a sentar y se cerrará la válvula. Según se explicó, una válvula de acción directa nopuede actuar si las presiones de la tubería exceden su MOPD.
  4. 4. Otra especificación de las válvulas de solenoidecorresponde a agruparlas según su construcción, ya fueracomo normalmente abierta o normalmente cerrada. Básicamente, para el caso de las válvulas solenoide laespecificación dependerá del sentido en que actúe la fuerzade la bobina sobre el émbolo. Para la válvulas de accióndirecta, en los casos en que la aplicación de energía a labobina abra el puerto principal se hablará de una situaciónnormalmente cerrada, ya que este será el estado de la válvuladesenergizada. Esto se aprecia en la Figura 8. En cuanto a las válvulas operadas por piloto, seránormalmente abierta cuando el solenoide deba ser energizadode tal forma que produzca un desequilibrio de presiones paraforzar el cerrado del pistón o diafragma. En algunos casos, laválvula estará normalmente abierta gracias a un resorte queforzará la apertura del pistón y ejercerá una fuerza opuesta ala del émbolo. Se observa un válvula normalmente abierta enla Figura 9. La ventaja de las válvulas normalmente abiertas radicaen que permanecerán abiertas en caso de fallas en el sistemaeléctrico, algo necesario en algunos casos. Estas válvulas conutilizadas especialmente en labores que requieren que hayaun flujo de fluido la mayor parte del tiempo. Figura 8: Válvula de acción directa, normalmente abierta de dos vías.Figura 7: Válvula operada por piloto, normalmente cerradade dos vías y diafragma flotante. Figura 9: Válvula operada por piloto, normalmente abierta de dos vías y diafragma flotante.
  5. 5. 6. VÁLVULAS DE TRES VIAS válvula reversible, mientras los puertos D y 2 mantienen el flujo del fluido principal a través del deslizante de la válvula Las válvulas de tres vías tienen una conexión de entrada de cuatro vías.que es común a dos conexiones de salida distintas, como laque se muestra en la Figura 10. Las válvulas de tres vías son,básicamente, una combinación de la válvula de dos víasnormalmente cerrada y de la válvula de dos víasnormalmente abierta, en un solo cuerpo y con una solabobina. La mayoría de estas válvulas son operadas por piloto. Figura 11: Válvula Solenoide de Cuatro Vías operada por piloto externo. Cuando el solenoide piloto se energiza, atrae hacia arriba el pistón y produce la comunicación entre los puertosFigura 10: Válvula Solenoide de Tres Vías operada por piloto A con D1 y los puertos B con S1. Esto produce unaexterno acumulación de la alta presión de la línea de entrada en la sección inferior del deslizante principal, mientras que la Veamos su funcionamiento. Al estar la bobina sección superior está expuesta a presión relativamente bajadesenergizada, con el orificio piloto clausurado, en la parte del canal S. Con esto, el deslizante principal es empujadosuperior del ensamble del pistón se tiene una presión P1, la hacia arriba, producto de la fuerza que aparece dada lacual llega a través de la conexión piloto externa que se diferencia de presiones en los extremos del deslizante.observa a la derecha y arriba de la figura. La parte inferior Finalmente, el flujo principal será sido desviado desde Ddel pistón se encuentra directamente expuesta a la presión de hacia 1 y la válvula reversible ahora comunicará los puertosla entrada, P2, produciéndose una diferencia de presiones P2 S y 2.- P1 que levanta el pistón. Esto permite el flujo de fluidodesde la entrada hacia la salida inferior, ya que cierra elpuerto para la salida lateral y lo abre para la salida de abajo. Para producir el efecto de desviación, se debe energizarla bobina, con lo cual se levanta el émbolo y la aguja destapael orificio piloto. De esta forma, se permite el paso del fluidopresente en la entrada a través del tubo capilar y hacia laparte superior del ensamble del pistón. Así, se consigue unaigualación de las presiones sobre y bajo el pistón, el cual esfinalmente empujado hacia abajo por un resorte ubicadosobre éste. Se tendrá entonces que el puerto lateral se abre yel inferior se cierra, con lo que flujo se moverá hacia la salidalateral.7. VALVULAS DE CUATRO VIAS Estas válvulas solenoide son conocidas comúnmentecomo válvulas reversibles, cuya forma más usual se apreciaen la Figura 11. Éstas poseen una entrada y tres salidas. El funcionamiento de la válvula de cuatro vías se detallaen las Figuras 12 y 13, según el estado energético de labobina. Cuando la bobina de la válvula piloto se encuentrasin energía, el pistón deslizante está posicionado de tal formaque conecta los puertos B con D1 y S1 con A. De esta forma, Figura 12: Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Víasla sección superior del deslizante principal está acumulando con bobina piloto desenergizada.la presión alta presente en la línea de descarga D. Por otrolado, la parte inferior del deslizante, provisto de un sello quelo aísla de la sección superior, se encuentra expuesta a lapresión baja de la línea de succión S. Con esto, se genera undesbalance de presiones en el deslizante principal queprovoca la fuerza que lo mantiene en su posición “abajo”. Enestas condiciones, se comunican los puertos S y 1 a modo de
  6. 6. 9. SELECCIÓN DE UNA VÁLVULA DE SOLENOIDE Al momento de elegir una válvula, debemos tomar en cuenta los siguientes puntos: 1.- Fluido a controlar (características de viscosidad y pH) 2.- Rangos de Presión con los que se desea trabajar (MOPD y MinOPD) 3.- Temperatura del fluido (y del medio externo). 4.- Tipo de cañería o conexión (tamaño y estilo). 5.- Características eléctricas de la válvula (rangos de voltaje con que trabaja; CC o AC) 6.- Opciones específicas para la aplicación: - Normalmente abierta o cerrada. - Presión segura de trabajo (SWP) - Con o sin vástago manual, etc. Cabe destacar que, al momento de dimensionar la válvula, se debe tener en cuenta la cantidad de flujo a controlar, más que el ancho de la tubería. En este sentido, es recomendado consultar las especificaciones del fabricanteFigura 13: Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Vías para cada válvula.con bobina piloto energizada. Para válvulas de acción piloto, es vital que durante todo el proceso la presión en las líneas esté dentro de los rangos de MOPD y MinOPD. Si no se cumple este requerimiento, la válvula no podrá controlar el flujo en todo momento. Para8. MATERIALES UTILIZADOS EN SU válvulas de acción directa, sólo debemos tomar en cuenta que CONSTRUCCIÓN la diferencia de presiones entre la entrada y la salida sea menor a MOPD. Con el objetivo de lograr escoger una válvula adecuada Como una consideración de seguridad, tampoco separa cada aplicación, es necesario tener en cuenta los debe usar válvulas con SWP menor al máximo de presiónmateriales utilizados en su construcción. De esto dependerá esperado en las líneas.el tipo de trabajo que deberá desempeñar. Es importante también tener en cuenta el tipo de Los materiales utilizados se escogen con el fin de ser líquido con el que se trabaja, de forma de utilizar válvulascompatibles con el tipo de fluido, lograr la máxima cuyos materiales de construcción sean compatibles con cadaconfiabilidad y tiempo de vida útil y minimizar sus costos. A aplicación.continuación se detallan algunos materiales usados en cada Desde luego, es necesario tener en cuenta el tipo decomponente de una válvula de solenoide: alimentación con que trabaja la válvula (Rango de Voltaje y Frecuencia). No cumplir con estos rangos puede causar dañoCuerpo de la válvula: permanente en la bobina inutilizando la válvula. En este sentido, a modo de sugerencia, se recuerda que no es En fluidos neutros se utiliza bronce o lata. Para fluidos conveniente polarizar la bobina del solenoide al mismoa altas temperaturas (o vapor por ejemplo) se usa acero o tiempo que se conecta a la alimentación un motor de granacero inoxidable (más resistente a la corrosión). En algunas potencia (bobina) dado que este causa variacionesaplicaciones, con el objetivo de disminuir los costos, se importantes en el nivel de voltaje aplicado al solenoide.utilizan materiales plásticos o PVC (por ejemplo).Bobina: La bobina se construye en general a partir deconductores de cobre aislados. La zona del émbolo móvil que Instalación de la válvulaentra en contacto con el fluido, por lo general corresponde aacero inoxidable. Des esta manera se logra resistencia a la Sobre la instalación de la válvula, cabe recordar que lacorrosión. mayoría está diseñada para trabajar en líneas horizontales, con la bobina en la parte superior. Existen válvulas,Materiales sellantes: equipadas con resortes, que permiten su instalación en cualquier posición. Otra consideración relevante es que se Los factores que intervienen en la elección de este debe respetar la dirección del fluido en la instalación. Estematerial son las condiciones de temperatura, químicas y debe coincidir con la flecha que generalmente se encuentramecánicas de cada aplicación en particular. Para fluidos en el cuerpo de la válvula. También, es conveniente instalarneutros con temperaturas bajas, por lo general se utiliza un filtro antes de la válvula, con el objetivo de filtrarViton. Para trabajo con altas temperaturas se utiliza EPDM y partículas extrañas.PTFE, materiales que ofrecen gran resistencia antecondiciones adversas de temperatura y acidez.
  7. 7. 10. APLICACIONES También se puede obtener la acción inversa intercambiando el sentido de la apertura de la válvula en relación al nivel Las válvulas de solenoide tienen múltiples aplicaciones, máximo y mínimodada su versatilidad como actuador en controles on-off. Seexpondrán dos aplicaciones simples donde la válvulasolenoide juega un papel importante. Bombas de CalorControl de Nivel de Líquido Una bomba de calor es un equipo central acondicionador de aire, con ciclo reversible. En el verano, el Si desean manipular el nivel de líquido dentro de un refrigerante absorbe calor del interior de la casa y lo expulsaestanque o recipiente, se puede colocar una válvula de al exterior. En el invierno, el ciclo se invierte, el refrigerantesolenoide para líquido, seguida de una válvula de expansión absorbe calor del exterior y lo libera dentro de la casa. Elmanual. La línea de líquido conduce a un recipiente o condensador y el evaporador son obligados a intercambiartambor, en el cual el nivel de fluido está controlado por un funciones, invirtiendo el flujo de refrigerante. Para realizarinterruptor de flotador, como se muestra en la Figura 14. La este proceso se utilizará una válvula de cuatro vías.válvula de solenoide para líquido es accionada por el En la Figura 15, el sistema está en el ciclo deinterruptor del flotador. Cuando el nivel del líquido baja a un calefacción, con el gas de descarga fluyendo a través de losnivel predeterminado, el interruptor abre la válvula. Al puertos de la válvula reversible "D" a "2", haciendo que elalcanzarse el nivel deseado, el interruptor cierra la válvula. serpentín interior funcione como condensador. El gas de succión fluye del serpentín exterior (evaporador), a través de los puertos de la válvula reversible "1"a "S", y de regreso al compresor. En la Figura 16, el sistema ha cambiado ahora el ciclo de enfriamiento, y el gas de descarga fluye a través de los puertos de la válvula reversible "D" a "1", haciendo que el serpentín exterior funcione como condensador, el gas de succión funcione a través de los puertos "2" a "S", y el serpentín interior es el evaporador.Figura 14: Control de Nivel de Líquido. Figura 15 Ciclo de Calefacción.
  8. 8. Figura 16 Ciclo de Enfriamiento.

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