Elementos+finales+de+control

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Elementos+finales+de+control

  1. 1. ELEMENTOS FINALES DECONTROL
  2. 2. Contenido1. Simbología2. Tipos de Válvulas3. Cluster4. Normatividad Industrial5. Partes de una Válvula: Cuerpo, Tapa, Empaquetadura, Obturador /Asiento.6. Cálculos de parámetros de la válvulas7. Actuadores y posicionador8. Controlador9. Ruido en válvulas10.Cavitación
  3. 3. Símbolos paraelementos finalesde controlVálvula globo
  4. 4. Válvulas de globo Obturadores de movimiento linealAsiento simple Asiento doble Obturador equilibradoVálvula en ánguloLas válvulas de asiento simple seemplean para fluidos en baja presión.Las válvulas de asiento doble o deobturador equilibrado se emplean enválvulas degran tamaño y alta presión diferencialVálvulas de ánguloPermite un flujo de caudal regular sin excesivas turbulenciasy es adecuada para disminuir la erosión.El diseño de esta válvula es idónea para trabajar con: fluidosque vaporizan, grandes presiones diferenciales y fluidos quecontienen sólidos en suspensión.
  5. 5. Válvula de tresvías mezcladoraObturadores de movimiento linealVálvula de tresvías diversoraVálvula de jaulaVálvula de compuertaVálvulas de tres víasVálvulas de jaulaVálvulas de compuertaSe emplean generalmente para mezclarfluidos o bien para derivar de un flujo deentrada dos de salida.Es una válvula muy resistente a las vibraciones y aldesgaste, se emplean en válvulas de gran tamaño yfluidos de alta presión diferencial.Se utiliza en control de todo-nada, ya que en posicionesIntermedias tiende a bloquearse, se caracteriza por subaja pérdida de carga.
  6. 6. Obturadores de movimiento linealVálvula en YVálvula de cuerpo compartidoVálvula SaudersVálvula de compresiónVálvulas en YVálvulas de cuerpo compartidoVálvulas de SaundersVálvulas de compresiónEs adecuada como válvula de cierre y de control, secaracteriza por su baja perdida de carga y gran capacidadde caudal, además posee un autodrenaje con un ciertoángulo.Se emplea para fluidos viscosos y en la industria de alimentos, es unamodificación de la válvula de asiento simple, con el cuerpo partido en dospartes entre las cuales presiona el asiento.El obturador es una membrana flexible que a través de unvástago unido a un servomotor, es forzada contra un resaltedel cuerpo. El cuerpo de la válvula puede revestirse con gomao plástico para fluidos agresivos.Funciona mediante la opresión de dos o mas elementosflexibles, se aplican en el manejo de fluidos corrosivos,viscosos o con sólidos en suspensión.
  7. 7. Obturadores de movimiento circularVálvula de bolaVálvula de mariposaVálvula de obturadorcilíndrico excéntricoVálvula de obturadorexcéntrico rotativoVálvulas de obturador excéntrico rotativoVálvulas de obturador cilíndrico excéntricoVálvulas de mariposaVálvulas de bolaConsiste de un obturador de superficie esférica que tiene unmovimiento rotativo excéntrico y que esta unido al eje de giropor uno o dos brazos flexibles.Se caracteriza por su gran capacidad de caudal y por suelevada pérdida de carga.Es una válvula de bajo costo y tiene una capacidad relativamentealta, se puede cubrir con un revestimiento de teflón o goma paramanejar fluidos corrosivos y líquidos viscosos.Se emplean para control de grandescaudales de fluidos a baja presión.Se necesita una fuerza grande delactuador para accionar la válvula en unapresión elevada.Se emplea en fluidos negros o bien en fluidos con granPorcentaje de sólidos en suspensión.
  8. 8. Válvula de machoObturadores de movimiento circularVálvula de orificio ajustableVálvula de flujo axialVálvulas de machoVálvulas de orificio ajustableVálvulas de flujo axialConsiste en un cilindro con un orificio transversal igual aldiámetro interior de la tubería. Se utiliza generalmente en elcontrol manual todo o nada de líquidos o gases y en laregulación de caudal.Consiste en un cilindro que está perforado con dos orificios, uno de entraday otro de salida y que gira mediante una palanca exterior accionadamanualmente o por un servomotor. El giro del obturador tapa parcial ototalmente las entradas y salidas, controlando el caudal. Se utiliza paracombustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos engeneral.Consiste en un diafragma accionado neumáticamente quemueve un pistón, el cual comprime un fluido hidraúlico contra unobturador formado de material elastómero. El obturador seExpande para cerrar el flujo. Esta válvulas son silenciosas y seemplean en gases
  9. 9. En los procesos industriales es común controlar el flujo de varias tuberías a travésde un nodo o matriz de válvulas de 4 o 5 vías.Las matrices de válvulas se encuentran comúnmente en las industrias de procesamiento debebidas, cerca de las etapas de almacenamiento en tanques y cisternas. Cabe señalar que eneste tipo de industrias es obligatorio el uso de aceroinoxidable en todo el proceso.Cluster
  10. 10. Normatividad IndustrialNOMNMXFabricantes
  11. 11. Identifique cada una de las siguientes válvulasEvaluación
  12. 12. Cuerpo de la válvulaMaterial Presión nominal lbBronce 150300Hierro 125fundido 250Acero al carbón: 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 8-11En aquellos procesos donde el fluido es un agente químico corrosivo parael metal, se emplean cuerpos para válvulas con materiales termoplásticoscomo:Cloruro Polivinilo PVC Polipropileno PP Fluoruro Polivinilideno PVDFCloruro Polivinilo Clorinado PCVC Polipropileno Fibra de Vidrio PPGEn Cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura yla presión del fluido sin perdidas, tener un tamañoadecuado para el caudal que debe controlar y serresistente a la erosión o la corrosión.
  13. 13. La tapa de control une elcuerpo al servomotor, y en suinterior se desliza el vástagodel obturador accionado por elmotor.Para que el fluido no seescape a través de la tapa esnecesario disponer una caja deempaquetadura, la cual debeser elástica, soportar latemperatura de trabajo, con unbajo coeficiente de rozamiento,químicamente inerte y serdieléctrico.Tapa de la válvula
  14. 14. EmpaquetaduraTipos de empaquetaduras:1) Teflón V (anticorrosión),2) Perfluoelastómero con anillos deteflón rellenos con fibras degrafito,3) Grafito con filamento o laminadoo en cinta.PTFE: politetrafluoretileno o Teflón
  15. 15. Obturador / AsientoEl obturador y los asientos sefabrican de: Acero inoxidable,Hastelloy, Monel, Stellite, 17-4PHendurecido y materialestermoplasticos.Porcentaje de carrera de la válvulaPorcentajedeCaudalCaracterística de caudal inherenteApertura rápida: El caudal aumenta mucho al principio de laCarrera llegando rápidamente al máximo.Lineal: El caudal es directamente proporcional a la carrera.Isoporcentual: Cada incremento de la carrera del obturadorproduce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal quefluía antes de la variación.Otras curvas características son: parabólica, tajadera, mariposa ybola.
  16. 16. Jaulas para válvulas de globo
  17. 17. 1. ¿Qué significa usar una válvula ANSI 150-300?2. ¿Qué tipos de empaquetaduras se utilizan en las válvulas?3. ¿Cuáles son las respuestas características de un obturador / Asiento?4. ¿Qué propiedades debe poseer la caja de empaquetadura?Evaluación
  18. 18. Cálculo de parámetros de la válvulaLíquido Gas VaporIdentificar el procesoTemperaturaLíquidoGravedad especificaViscosidadFlujoCoeficiente de Flujo CvCaída de presiónPresión de entradaSaturaciónGasTemperaturaGravedad especificaDatos del procesoDatos de salida 1 de 2 conocidosFlujoCoeficiente de Flujo CvCaída de presiónFlujoCoeficiente de Flujo CvCaída de presiónTipo de obturador de válvula previamente seleccionado
  19. 19. Características de caudal efectivasEn la mayor parte de las válvulas que trabajan en condicionesreales, la presión diferencial cambia cuando varía la apertura de la válvula,PAFF FricciónF - Fuerza requerida para cerrarla válvula.A - Área de paso del asiento.ΔP - Presión diferencia a través dela válvula.FFricción - Fricción permitida para elvastago del obturadorDe modo general, el caudal que pasa por la válvula corresponde a la ecuación: PAKQvDonde Qv es el caudal a tráves de la válvula y K es una constante.
  20. 20. Capacidad de un válvula de controlKcGc KvGv KpGp+-M(s) A(s) C(s)Controlador Válvula ProcesoRDiagrama de bloques, en donde M(s) es la posición del vástago de la válvula, A(s) es el flujo del fluido deproceso producido por la ubicación instantánea del vástago,Definiciones:Kv Flujo en m3/h, EuropaCv Flujo en galones por minuto GPM, EUAAv Flujo en m3/s,En las válvulas de control ajustables los coeficientes Cv o Kv representan una relación de 100:1. En estasVálvulas 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)
  21. 21. Tamaño de la válvulaPara determinar el tamaño requerido de una válvula se necesita conocer:•El flujo volumétrico a través de la válvula V•La presión diferencial a tráves de la válvula ΔPEl flujo o caudal de la válvula se determina :GPKV vDonde Kv es el coeficiente de flujo, ΔP es la presión diferencia a través dela válvula y G es la densidad relativa / gravedad especifica del proceso.Si el proceso es Agua G=1 y la ecuación anterior se simplifica:PKV v
  22. 22. Ejemplo:En un circuito se bombea 10 m3/h de agua, determine la caída de presión a través de laválvula, con Kv=16.PKV vV=10m3/h y Kv=16, se despeja de la ecuación anterior para ΔPbarKVPv39.0161022
  23. 23. El agua que circula a través de un sistema, incurrirá en perdidas por fricción, estas perdidaspueden expresarse como caídas de presión que incrementaran en proporción cuadrática lavelocidad, entonces el flujo puede calcularse por la siguiente relación:212221PPVVdonde, V1 es el flujo para una perdida de presión P1 yV2 es el flujo para una perdida de presión P2.Ejemplo:Se observa que el flujo V1 a través de una tubería es de 2500 m3/h, cuando la caída de presiónP1 es de 4 bar. Determine la caída de presión P2 si el flujo V2 es 3500 m3/h.Tamaño de la válvulabarVVPP 84.7250035004 22212212
  24. 24. EvaluaciónSelecciona el tamaño de válvula correcto para las siguientesaplicaciones:5. Caudal máximo 150 000 l/hDensidad 0.9Temperatura 80ºCPerdida de carga 5 bar1 m3= 1000 lKv=Cv=6. Caudal máximo 45 m3/hDensidad 0.7Temperatura 100ºCPerdida de carga 3 barKv=Cv=7. Caudal máximo 950 000 l/hDensidad 0.95Temperatura 25ºCP1 = 18 barP2 = 24 barKv=Cv=
  25. 25. ActuadoresLa operación de una válvula de control involucra posicionar las partes movibles (obturadores)relativamente al asiento estacionario de la válvula. El propósito del actuador de una válvulaes colocar con precisión el obturador en una posición marcada por la señal de control.El actuador recibe la señal de un sistema de control, y en respuesta mueve la válvula a unaposición totalmente abierta, totalmente cerrada o a una posición intermedia, dependiendo delcontrol usado (ON/OFF o Continua).Los actuadores principales son de tipo neumático y eléctrico. Otros sistemas de actuadores sonhidráulicos y de acción directa.
  26. 26. Actuador NeumáticoSon comúnmente usados en válvulas de control y vienen en dos sistemas: •Actuador de pistón•Actuador de diafragmaActuador de pistón. Se usan cuando la carrera del vástago es muy corta. El aire comprimido seaplica a un pistón, al interior de un cilindro sólido. El pistón puede ser simple o de doble acción.Pueden resistir altas presiones de entrada en cilindros de volumen pequeño, y responder a altavelocidad
  27. 27. Actuador de diafragma. El aire comprimidose aplica sobre una membrana flexible odiafragma, cuya área es constante a travésde la carrera del vástago. Este actuador es deacción simple, donde el aire se suministra deun solo lado. Pueden ser de acción directa(resorte para retraer) o de acción reversa(resorte para extender).
  28. 28. La elección de un actuador neumático de diafragma de acción directa o de acción reversadepende de la naturaleza del proceso y de los requerimientos de seguridad. Tiene sentido queen caso de falla del suministro de aire, usar válvulas de cierre en procesos de vapor y usarválvulas de apertura en procesos de enfriamiento. En consecuencia se debe considerar lacombinación de actuador y tipo de válvula.Todo buen ingeniero deberá basar su criterio de diseño en la seguridad del usuario final.
  29. 29. PosicionadoresPara muchas aplicaciones una presión de 0.2 a 1 bar en la cámara del diafragma puede no sersuficiente para sobrellevar la fricción y la presión diferencial. Un sistema de control de altapresión y resortes resistentes pueden ser usados, sin embargo en la practica se recurre al usode posicionadores. El posicionador es un dispositivo adicional que se une a los pilares delactuador y que es vinculado al eje del actuador por un brazo retroalimentado, con la intensión demonitorear la posición
  30. 30. Posicionadores DigitalesAlgunas veces llamados posicionadores SMART, un posicionador digital monitora la posición dela válvula y convierte esta información en forma digital, que mediante un micoprocesador se puedelograr:1) alta precisión en la posición de la válvula,2) adaptabilidad en los cambios de control,3) sistemas de rutina para auto ajuste y calibración,4) diagnostico en línea y monitoreo centralizado mediante sistemas de comunicación enprotocolos HART, Fieldbus o Profibus.
  31. 31. Posicionadores y actuadores neumáticos rotativosEste tipo de actuadores se aplican en válvulas de bola, mariposa, y acción rotativa. El tipo depistón es el más comúnmente usado, el cual consta de dos pistones al interior de una cámara quecomprimen una flecha centrada. Los pistones y la flecha tiene un sistema de riel dentado y piñónpara transferir el movimiento.
  32. 32. Actuador EléctricoLos actuadores eléctricos utilizan un motor con requerimientos de voltaje de: 230 Vac, 110 Vac,24 Vac y 24 Vdc. Existen dos tipos de actuadores eléctricos:•VMD Valve Motor Drive•ModuladoVMDOpera en tres estados: Control para cerrar la válvula, Control para abrir la válvula y Sinmovimiento. Un switch extermo conmuta los estados de operación del sistema VMD. Uncontrolador posiciona la válvula en cierre y abertura, por un cierto tiempo asegurando que logra laposición deseada por retroalimentación.
  33. 33. ModuladoUn circuito de posicionamiento debe ser incluido en el modulador del actuador, el cual aceptauna señal de control análoga (típica 0-10V o 4-20 mA). El actuador interpreta esta señal comoUna posición de la válvula entre los límites, para lograrlo en actuador posee un sensor deposición (usualmente un potenciometro), el cual retroalimenta la posición de la válvula al circuito.Los actuadores eléctricos ofrecen fuerzasespecificas, que dependerán del modelo,Es deseable consultar las hojas técnicas delfabricante en la presión diferencial a través de laválvula para determinar el tamaño del actuador.Una limitación de los actuadores eléctricos essu respuesta lenta en la velocidad demovimiento de la válvula, que puede llegar a serde 4 seg/mm.
  34. 34. Evaluación8. Identifique a que tipo de actuador corresponden las siguientes figuras:9. Los actuadores de diafragma pueden ser ________________ o de _____________10. ¿Cual es el propósito de agregar un posicionador al actuador?11.¿Que diferencia existe en el funcionamiento de un actuador eléctrico VMD y modulado?Evaluación
  35. 35. Controlador.El controlador recibe una señal, toma la acción que sea necesaria y envía una señal al actuadorpara que realice un movimiento. La mayoría de los controladores se basan en electrónicadigital, microprocesadores, PLC y PC. Algunos de los ejemplos típicos de control son:Controlador de lazo simple. Opera una válvula y actuador desde un sensor.Controlador de lazo múltiple. Puede operar más de una válvula y actuador desde varios sensores.Entrada y salida simple. Puede aceptar la señal de un solo sensor y enviar la señal a un soloactuador.Entradas y salidas múltiples. Puede aceptar varias señales y enviar varias señales.Tiempo Real. Puede incluir un temporizador para interrupción a un tiempo predeterminado.Lapso de tiempo. Puede generar una interrupción para un tiempo o lapso predeterminado, antes odespués de la señal de paro y arranque de la planta.Rampa y escalón. Sigue un patrón de secuencia encambio y mantenimiento. (Figura de la izquierda)
  36. 36. Señales de Comunicación Electrónica.HARTPROFIBUSFOUNDATION FIELDBUSHighway Addressable Remote Transductor. Es un protocolo de comunicación para dispositivos decontrol en campo con una señal de control analógica de 4-20mA en FSK de 1200 Baud. Es elsistema de comunicación mas usado en los procesos industriales.Protocolo de comunicación digital en serie, que permite la comunicación de dispositivos dediferente fabricante, se usa en aplicaciones criticas de alta velocidad y sistemas complejos. Latransmisión puede ser por RS-485 o fibra óptica.Su estructura en red se conforma de tres niveles: 1) nivel de sensores y actuadores, 2) nivel desistemas automáticos en terminales de sensores y válvulas, 3) nivel de células de comunicaciónentre PLC y PC con conexión a Ethernet.Es un sistema se comunicación serial digital de dos vías, que funciona como una red de área localLAN de los dispositivos de instrumentación y control de la fabrica o planta. Entre suscaracterísticas están: 1) Dispositivos inter-operables, 2) Mejora los procesos de datos, 3) permiteuna vista general del proceso, 4) Implementa sistemas de seguridad, 5) Facilita mantenimientospredecibles, 6) Reduce costos de cableado y mantenimiento.
  37. 37. Topología de una red IndustrialPropósito: Lograr una automatización integral a través de un mejor control y monitoreodel proceso en tiempo real, así como alcanzar una comunicación eficiente entre losdepartamentos de la planta.
  38. 38. Ruido en las válvulas de controlEn las industrias de proceso intervienen muchos factores que contribuyen al mantenimiento dealtos niveles de ruido, entre los cuales, uno de los más importantes es el generado durante elfuncionamiento de las válvulas de control instaladas en las tuberías que transportan líquidos,gases y vapor. Las leyes y normas industrial obligan a la reducción del ruido sobre un niveladmisible.Causas del ruido en válvulasVibración mecánica. Es debida a las fluctuaciones de presión casuales dentro del cuerpo de laválvula y al choque de fluido con las partes móviles. Otra causa, es la resonancia de uncomponente vibrando a su frecuencia natural.Ruido Hidrodinámico. Es producido por los líquidos al circular a través de la válvula, pudiendoencontrarse en varios estados: Sin cavitación, con cavitación y con vaporización. Se encuentrauna banda estrecha L sin emisión de sonido, sigue una banda T con ruido moderado y un campocrítico Z1-Z2 donde se pueden provocar daños importantes en las válvulas.Ruido aerodinámico. Proviene del flujo turbulento del vapor, del aire y otros gases, siendodespreciable en los líquidos. Se produce por obstrucción en el flujo, expansión rápida odeceleración por codos o curvas en la tubería.Daños por cavitación en laspartes internas de unaválvula.
  39. 39. CavitaciónLa cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el aguao cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo unadescompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de talforma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor,formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonasde mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita,«aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un rápido desgastede la superficie que origina este fenómeno.La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en lacorriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas depresión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosiónque, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayorpérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujasde vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, lasfuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presioneslocalizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de quese tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina
  40. 40. Evaluación12. ¿Cuál es la función de un controlador? y mencione un ejemplo.13. ¿Cuáles son los protocolos de comunicación mas usados en la Industria?14. ¿Cual es la finalidad de implementar un protocolo Fieldbus en la industria?15. ¿Cómo afecta la cavitación el funcionamiento de una válvula?Evaluación

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