Actuadores y posicionadores de válvulas de control

Las válvulas de control necesitan actuadores para funcionar. Este tutorial analiza brevemente las diferencias entre los actuadores eléctricos y neumáticos, la relación entre la terminología de actuación directa y actuación inversa, y cómo esto afecta la influencia de control de la válvula. Se discute la importancia de los posicionadores en relación con su función y por qué se requieren en muchas aplicaciones.

Actuadores En el Bloque 5, ‘Teoría de control’, se utilizó una analogía para describir el control simple de procesos:

• El músculo del brazo y la mano (el actuador) giraban la válvula (el dispositivo controlado).

Una forma de dispositivo de control, la válvula de control, ya se ha cubierto. El actuador es el siguiente área lógica de interés.

El funcionamiento de una válvula de control implica posicionar su parte móvil (el obturador, bola o paleta) respecto al asiento fijo de la válvula. El propósito del actuador de la válvula es ubicar con precisión el obturador de la válvula en una posición dictada por la señal de control.

El actuador acepta una señal del sistema de control y, en respuesta, mueve la válvula a una posición completamente abierta o completamente cerrada, o a una posición más abierta o más cerrada (dependiendo de si se utiliza la acción de control de ‘encendido/apagado’ o ‘continua’).

Existen varias formas de proporcionar esta actuación. Este Módulo se centrará en las dos principales:

• Neumática.
• Eléctrica. Otros actuadores importantes incluyen los tipos hidráulicos y de acción directa. Estos se discuten en el Bloque 7, ‘Equipo de control: Controles de auto-accionamiento’.

Actuadores neumáticos – funcionamiento y opciones Los actuadores neumáticos se utilizan comúnmente para accionar válvulas de control y están disponibles en dos formas principales: actuadores de pistón (Figura 6.6.1) y actuadores de diafragma (Figura 6.6.2)

Actuadores de pistón Los actuadores de pistón se utilizan generalmente cuando el recorrido de un actuador de diafragma sería demasiado corto o el empuje demasiado pequeño. El aire comprimido se aplica a un pistón sólido contenido dentro de un cilindro sólido. Los actuadores de pistón pueden ser de simple efecto o doble efecto, pueden soportar presiones de entrada más altas y ofrecer volúmenes de cilindro más pequeños, que pueden actuar a alta velocidad. Actuadores de diafragma Los actuadores de diafragma tienen aire comprimido aplicado a una membrana flexible llamada diafragma. La Figura 6.6.2 muestra un diafragma rodante donde el área efectiva del diafragma es prácticamente constante a lo largo del recorrido del actuador. Estos tipos de actuadores son de simple efecto, ya que el aire solo se suministra a un lado del diafragma, y pueden ser de actuación directa (resorte para retracción) o de actuación inversa (resorte para extensión). Actuación inversa (resorte para extensión) La fuerza de operación se deriva de la presión del aire comprimido, que se aplica a un diafragma flexible. El actuador está diseñado de modo que la fuerza resultante de la presión del aire, multiplicada por el área del diafragma, vence la fuerza ejercida (en dirección opuesta) por el resorte o resortes.

El diafragma (Figura 6.6.2) se empuja hacia arriba, tirando del husillo hacia arriba, y si el husillo está conectado a una válvula de actuación directa, el obturador se abre. El actuador está diseñado para que con un cambio específico de presión de aire, el husillo se mueva lo suficiente para llevar la válvula a través de su recorrido completo desde completamente cerrada a completamente abierta.

A medida que la presión del aire disminuye, el resorte o resortes mueven el husillo en dirección opuesta. El rango de presión del aire es igual a la clasificación del resorte del actuador especificada, por ejemplo 0.2 - 1 bar.

Con una válvula más grande y/o una presión diferencial más alta en contra, se necesita más fuerza para obtener el movimiento completo de la válvula.

Para generar más fuerza, se necesita un área de diafragma mayor o un rango de resortes más alto. Es por esto que los fabricantes de controles ofrecen una gama de actuadores neumáticos para adaptarse a una gama de válvulas, con áreas de diafragma crecientes y una selección de rangos de resortes para crear diferentes fuerzas.

Los diagramas de la Figura 6.6.3 muestran los componentes de un actuador neumático básico y la dirección del movimiento del husillo con el aumento de la presión del aire. Actuador de actuación directa (resorte para retracción) El actuador de actuación directa está diseñado con el resorte debajo del diafragma, con aire suministrado al espacio sobre el diafragma. El resultado, con el aumento de la presión del aire, es el movimiento del husillo en dirección opuesta al actuador de actuación inversa.

El efecto de este movimiento en la apertura de la válvula depende del diseño y tipo de válvula utilizada, y se ilustra en la Figura 6.6.3.

Sin embargo, existe una alternativa, que se muestra en la Figura 6.6.4. Un actuador neumático de actuación directa se acopla a una válvula de control con un obturador de actuación inversa (a veces llamado ‘obturador colgante’). La elección entre controles neumáticos de actuación directa e inversa depende de la posición a la que debe revertir la válvula en caso de fallo del suministro de aire comprimido. ¿Debe la válvula cerrarse o abrirse completamente? Esta elección depende de la naturaleza de la aplicación y los requisitos de seguridad. Tiene sentido que las válvulas de vapor se cierren ante un fallo de aire, y que las válvulas de refrigeración se abran ante un fallo de aire. Se debe considerar la combinación de actuador y tipo de válvula. Las Figuras 6.6.5 y 6.6.6 muestran el efecto neto de las diversas combinaciones. Efecto de la presión diferencial en el levantamiento de la válvula El aire alimentado en la cámara del diafragma es la señal de control del controlador neumático. La señal de presión de aire más ampliamente utilizada es de 0.2 bar a 1 bar. Considere un actuador de actuación inversa (resorte para extensión) con resortes estándar de 0.2 a 1.0 bar, instalado en una válvula de actuación directa (Figura 6.6.7). Cuando el conjunto de válvula y actuador se calibra (o ‘ajuste de banco’), se ajusta de modo que una presión de aire de 0.2 bar comience a vencer la resistencia de los resortes y aleje el obturador de la válvula de su asiento.

A medida que aumenta la presión del aire, el obturador de la válvula se aleja progresivamente de su asiento, hasta que finalmente a 1 bar de presión de aire, la válvula está abierta al 100%. Esto se muestra gráficamente en la Figura 6.6.7.

Ahora considere este conjunto instalado en una tubería en una aplicación de reducción de presión, con 10 bar g en el lado aguas arriba y controlando la presión aguas abajo a 4 bar g.

La presión diferencial a través de la válvula es 10 - 4 = 6 bar. Esta presión actúa en la parte inferior del obturador de la válvula, proporcionando una fuerza que tiende a abrir la válvula. Esta fuerza es adicional a la proporcionada por la presión del aire en el actuador.

Por lo tanto, si el actuador recibe aire a 0.6 bar (a mitad de camino entre 0.2 y 1 bar), por ejemplo, en lugar de que la válvula adopte la posición esperada de 50% abierta, la apertura real será mayor, debido a la fuerza adicional proporcionada por la presión diferencial.

Además, esta fuerza adicional significa que la válvula no está cerrada a 0.2 bar. Para cerrar la válvula en este ejemplo, la señal de control debe reducirse a aproximadamente 0.1 bar.

La situación es ligeramente diferente con una válvula de vapor que controla la temperatura en un intercambiador de calor, ya que la presión diferencial a través de la válvula variará entre:

• Un mínimo, cuando el proceso solicita calor máximo, y la válvula de control está abierta al 100%.
• Un máximo, cuando el proceso alcanza la temperatura y la válvula de control está cerrada. La presión del vapor en el intercambiador de calor aumenta a medida que aumenta la carga térmica. Esto se puede ver en el Módulo 6.5, Ejemplo 6.5.3 y Tabla 6.5.7.

Si la presión aguas arriba de la válvula de control permanece constante, entonces, a medida que aumenta la presión del vapor en el intercambiador de calor, la presión diferencial a través de la válvula debe disminuir.

La Figura 6.6.8 muestra la situación con el aire aplicado a un actuador de actuación directa. En este caso, la fuerza sobre el obturador de la válvula creada por la presión diferencial trabaja contra la presión del aire. El efecto es que si el actuador recibe aire a 0.6 bar, por ejemplo, en lugar de que la válvula adopte la posición esperada de 50% abierta, el porcentaje de apertura será mayor debido a la fuerza adicional proporcionada por la presión diferencial. En este caso, la señal de control debe aumentarse a aproximadamente 1.1 bar para cerrar completamente la válvula. Es posible recalibrar la válvula y el actuador para tener en cuenta las fuerzas creadas por la presión diferencial, o quizás utilizar diferentes combinaciones de resortes, presión de aire y actuadores. Este enfoque puede proporcionar una solución económica en válvulas pequeñas, con presiones diferenciales bajas y donde no se requiere un control preciso. Sin embargo, las realidades prácticas son que:

• Las válvulas más grandes tienen áreas mayores sobre las que actúa la presión diferencial, aumentando así las fuerzas generadas y teniendo un efecto creciente en la posición de la válvula.
• Las presiones diferenciales más altas significan que se generan fuerzas mayores.
• Las válvulas y actuadores crean fricción, causando histéresis. Las válvulas más pequeñas probablemente tienen mayor fricción en relación con las fuerzas totales involucradas. La solución es instalar un posicionador en el conjunto de válvula/actuador. (Se proporciona más información sobre los posicionadores más adelante en este Módulo).

Nota: Para simplificar, los ejemplos anteriores asumen que no se usa un posicionador y que la histéresis es cero.

Las fórmulas utilizadas para determinar el empuje disponible para mantener una válvula en su asiento para varias combinaciones de válvula y actuador se muestran en la Figura 6.6.9.

Donde:

A = Área efectiva del diafragma

Pmax = Presión máxima al actuador (normalmente 1.2 bar)

Smax = Ajuste máximo de banco del resorte

Pmin = Presión mínima al actuador (normalmente 0 bar)

Smin = Ajuste mínimo de banco del resorte

El empuje disponible para cerrar la válvula debe proporcionar tres funciones:

1. Vencer la presión diferencial del fluido en la posición cerrada.
2. Vencer la fricción en la válvula y el actuador, principalmente en los sellos del vástago de la válvula y el actuador.
3. Proporcionar una carga de sellado entre el obturador y el asiento de la válvula para asegurar el grado requerido de estanqueidad. Los fabricantes de válvulas de control normalmente proporcionan detalles completos de las presiones diferenciales máximas contra las que operarán sus diversas combinaciones de válvula y actuador/resorte; la Tabla en la Figura 6.6.10 es un ejemplo de estos datos.

Nota: Al usar un posicionador, es necesario consultar la documentación del fabricante para las presiones mínimas y máximas de aire.

Posicionadores Para muchas aplicaciones, la presión de 0.2 a 1 bar en la cámara del diafragma puede no ser suficiente para hacer frente a la fricción y las presiones diferenciales altas. Se podría usar una presión de control más alta y resortes más fuertes, pero la solución práctica es usar un posicionador.

Este es un elemento adicional (ver Figura 6.6.11), que generalmente se monta en la horquilla o los pilares del actuador, y está conectado al husillo del actuador mediante un brazo de retroalimentación para monitorear la posición de la válvula. Requiere su propio suministro de aire a mayor presión, que utiliza para posicionar la válvula. Un posicionador de válvula relaciona la señal de entrada con la posición de la válvula, y proporcionará cualquier presión de salida al actuador para satisfacer esta relación, según los requisitos de la válvula y dentro de las limitaciones de la presión máxima de suministro. Cuando se instala un posicionador en un conjunto de válvula y actuador de ‘aire para abrir’, el rango del resorte puede aumentarse para incrementar la fuerza de cierre, y por tanto aumentar la presión diferencial máxima que una válvula particular puede tolerar. La presión del aire también se ajustará según sea necesario para vencer la fricción, reduciendo así los efectos de histéresis. Ejemplo: Tomando un actuador de serie PN5400 instalado en una válvula DN50 (ver Tabla en la Figura 6.6.10)

Actuadores eléctricos ****Donde no hay suministro neumático disponible o no es deseable, es posible usar un actuador eléctrico para controlar la válvula. Los actuadores eléctricos usan un motor eléctrico con requisitos de voltaje en el siguiente rango: 230 Vac, 110 Vac, 24 Vac y 24 Vdc. Hay dos tipos de actuadores eléctricos; VMD (Accionamiento de motor de válvula) y Modulante.

VMD (Accionamiento de motor de válvula) Esta versión básica del actuador eléctrico tiene tres estados:

1. Abriendo la válvula.
2. Cerrando la válvula.
3. Sin movimiento. La Figura 6.6.20 muestra el sistema VMD donde el avance y retroceso del actuador se controlan directamente desde cualquier interruptor externo de 3 posiciones o dos interruptores de 2 posiciones. Los interruptores están clasificados para el voltaje del actuador y pueden ser reemplazados por relés adecuados.

Se instalan dispositivos limitadores dentro de los actuadores VMD para proteger los motores del daño por sobre-recorrido. Estos dispositivos se basan en el par máximo del motor o en interruptores de límite de posición física. Ambos dispositivos detienen el accionamiento del motor interrumpiendo el suministro de energía del motor.

• Los interruptores de límite de posición tienen la ventaja de que pueden ajustarse para limitar los recorridos de la válvula en válvulas sobredimensionadas.
• Los interruptores de par tienen la ventaja de proporcionar una fuerza de cierre definida en el asiento de la válvula, protegiendo el actuador en caso de agarrotamiento del vástago de la válvula.
• Si solo se usan interruptores de límite de posición, pueden combinarse con un acoplamiento de resorte para asegurar un cierre hermético de la válvula. Un actuador VMD puede usarse para actuación de encendido/apagado o para control modulante. El controlador posiciona la válvula abriéndola o cerrándola durante un cierto tiempo, para asegurar que alcance la posición deseada. Se puede usar retroalimentación de posición de válvula con algunos controladores. Modulante Para posicionar la válvula de control en respuesta a los requisitos del sistema se puede usar un actuador modulante. Estas unidades pueden tener motores de mayor potencia (típicamente 1 200 arranques/hora) y pueden tener electrónica incorporada.

Se puede incluir un circuito de posicionamiento en el actuador modulante, que acepta una señal de control analógica (típicamente 0-10 V o 4-20 mA). El actuador interpreta esta señal de control como la posición de la válvula entre los interruptores de límite.

Para lograr esto, el actuador tiene un sensor de posición (generalmente un potenciómetro), que retroalimenta la posición real de la válvula al circuito de posicionamiento. De esta manera el actuador puede posicionarse a lo largo de su recorrido en proporción a la señal de control. Un esquema del actuador modulante se muestra en la Figura 6.6.21. Los actuadores neumáticos tienen una característica inherente de seguridad ante fallos; si el suministro de aire o la señal de control fallan, la válvula se cerrará. Para proporcionar esta función en actuadores eléctricos, están disponibles versiones con ‘reserva de resorte’ que abrirán o cerrarán la válvula ante un fallo de energía o señal de control. Alternativamente, la seguridad ante fallos puede proporcionarse con alimentación por batería.

Los actuadores eléctricos ofrecen fuerzas especificadas, que pueden ser limitadas en las versiones con reserva de resorte. Siempre se deben consultar las tablas del fabricante durante la selección.

Al dimensionar un actuador, es recomendable consultar las hojas de datos técnicos del fabricante para la presión diferencial máxima a través de la válvula (ver Figura 6.6.22).

Otra limitación de un actuador eléctrico es la velocidad de movimiento de la válvula, que puede ser tan baja como 4 segundos/mm, lo cual en sistemas de variación rápida puede ser demasiado lento.