Tema III. Actuadores y Elementos de Control (Válvulas) PDF

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Comprender tener conocimiento de los tipos de factores que influyen en la ingeniería económica para así poder identificar los factores que afecten en una situación práctica y tener una mayor comprensión de estos....

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Instrumentación y Control de Procesos

Luis Daniel Hernández de la Cruz

Mayo 28, 2021

Índice Unidad 3.- Actuadores y Elementos de Control (Válvules). ....................................... 2 3.1.- Actuadores Eléctricos. .................................................................................. 3 3.2.- Actuadores Neumaticos. .............................................................................. 7 3.3.- Actuadores Hidráulicas. ............................................................................. 10 3.4.- Tipos de Válvulas. ........................................................................................ 13 3.5.- Criterios de Selección. ............................................................................... 23 3.6.- Señales de Mando por Actuadores. ........................................................... 25 Bibliografía ................................................................................................................ 30

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Unidad 3.- Actuadores y Elementos de Control (Válvules). En el control automático de los procesos industriales el actuador es un dispositivo importante, capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Figura 30. Planta o proceso de fabricación

Por cada proceso debe haber un actuador final, que regule el suministro de energía o material al proceso y cambie la señal de medición. Los tipos de procesos encontrados en las plantas industriales son tan variados como los materiales que producen. Estos se extienden desde lo simple y común, tales como los lazos que controlan caudal, hasta los grandes y complejos como los que controlan columnas de destilación en la industria petroquímica. Definición: Un ACTUADOR es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión Instrumentación y Control de Procesos

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neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo de el origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”. Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. Existen tres tipos de actuadores: ▪

Hidráulicos.

▪

Neumáticos.

▪

Eléctricos

Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

3.1.- Actuadores Eléctricos. Este tipo de actuador presenta gran control sencillez y precisión, por tanto, son los más utilizados en los robots industriales actuales.

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Existen tres tipos: ❖ Motores de corriente continua DC ❖ Motores paso a paso ❖ Motores de corriente alterna

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Posee un codificador de posición (encoder) que facilita su control, se encuentra constituido por devanados internos, el inductor e inducido. ❖ Inductor: este situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija ❖ Inducido: situado en el rotor hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz, como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Clases: ❖ Controlado por inducido. ❖ Controlado por excitación

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Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la máquina. En el caso de control por inducido, la intensidad del inductor se mantiene constante, mientras que la tensión del inducido se utiliza para controlas la velocidad de giro. En los controlados por excitación se actúa de manera contraria. Además, en los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de la velocidad de giro, originado por la velocidad de giro. MOTORES PASO A PASO En estos motores, la señal de control son trenes de impulsos que van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en el extractor, por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado número discreto de grados. Para conseguir el giro del motor en un determinado número de grados, las bobinas del estator deben ser excitadas a una frecuencia que determina la velocidad de giro. Se dividen en: ❑ Imanes permanentes ❑ Reluctancia variable ❑ Híbridos

IMANES PERMANENTES: El rotor posee una polarización magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magnético creado por las fases del estator

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RELUCTANCIA VARIABLE: El rotor está formado por un material ferromagnético que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético generada por las bobinas del estator. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Las mejoras que se han introducido hacen que se presenten como un gran competidor de los motores de DC, esto se debe principalmente a: ❑ Construcción de rotores síncronos sin escobillas ❑ Uso de convertidores estáticos ❑ Empleo de la microelectrónica Se dividen: ❑ Motores síncronos ❑ Motores asíncronos

MOTORES SÍNCRONOS: La velocidad de giro depende únicamente de la frecuencia de la tensión que alimenta el inducido, para poder variar esta con precisión, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia. MOTORES ASINCRONOS: Son motores que funcionan a una velocidad aproximadamente fija, aunque varíe la carga, Son los motores más ampliamente utilizados. Los motores trifásicos permiten potencias mayores y, además, no necesitan arrancador.

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Ventajas

Desventajas

❑ Precisos

❑ Potencia limitada

❑ Fiables ❑ Fácil control ❑ Sencilla instalación ❑ Silenciosos Los actuadores electrónicos son accionados por medio de corrientes eléctricas. Existen actuadores electrónicos que consumen una considerable cantidad de energía, para este tipo de casos se utilizan controladores. Los actuadores eléctricos son utilizados en diferentes aparatos mecatrónicos, como robots.

3.2.- Actuadores Neumaticos. A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.

Actuador Neumático

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El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo. También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua, movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial. ACTUADORES LINEALES Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos.

Existen

dos

tipos

fundamentales

de

los

cuales

derivan

construcciones especiales. ❑ Cilindros de simple efecto, Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”.

Cilindro de simple efecto tipo “dentro”.

❑ Cilindros de doble efecto,

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Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que pueden realizar trabajo en ambos sentidos.

Cilindro de doble efecto

ACTUADORES DE GIRO Los actuadores rotativos son los encargados de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el móvil de giro tiene un ángulo limitado o no, se forman los dos grandes grupos a analizar: ❑ Actuadores de giro limitado, que son aquellos que proporcionan movimiento de giro, pero no llegan a producir una revolución (exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón – cremallera). Existen disposiciones de simple y doble efecto para ángulos de giro de 90º, 180º..., hasta un valor máximo de unos 300º (aproximadamente). ❑ Motores neumáticos, que son aquellos que proporcionan un movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto.

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3.3.- Actuadores Hidráulicas. Estos actuadores se basan, para su funcionamiento, en la presión ejercida por un líquido, generalmente un tipo de aceite. Las maquinas que normalmente se encuentran conformadas por actuadores hidráulicos tienen mayor velocidad y mayor resistencia mecánica y son de gran tamaño, por ello, son usados para aplicaciones donde requieran de una carga pesada. Cualquier tipo de sistema hidráulico se encuentra sellado herméticamente a modo que no permita, de ninguna manera, derramar el líquido que contiene, de lo contraria se corre un gran riesgo. Los actuadores hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Las ventajas que presentan los actuadores de esta naturaleza son: ▪

Altos índices entre potencia y carga.

▪

Mayor exactitud.

▪

Respuesta de mayor frecuencia.

▪

Desempeño suave a bajas velocidades.

▪

Amplio rango de velocidad.

▪

Produce más fuerza que un sistema neumático de mismo tamaño

Las desventajas que presentan los actuadores de esta naturaleza son: que debido a las elevadas presiones a las que trabajan propician la existencia de fugas de aceite a lo largo de la instalación. Además, estas instalaciones suelen ser más complicadas que las necesarias para actuadores neumáticos y mucho más que para los eléctricos, necesitando de equipos de: ▪

Filtrado de partículas.

▪

Eliminación de aire.

▪

Sistemas de refrigeración.

▪

Unidades de control de distribución.

Las principales aplicaciones se encuentran en máquinas troqueladoras, en cargadores y en maquinarias pesada para obras civiles. Este sistema de actuadores se divide en tres grandes grupos: Instrumentación y Control de Procesos

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▪

Cilindro hidráulico.

▪

Motor hidráulico.

▪

Motor hidráulico de oscilación.

Cilindro hidráulico De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: ▪

De efecto simple: se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer.

▪

De acción doble: se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones.

Cilindro de presión dinámica Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.

Figura 32. Cilindro de presión dinámica (Web)

Cilindro de efecto simple Una barra es colocada en un extremo del pistón, cuando la presión es ejercida en la parte contraria al extremo del pistón donde está la barra, esta sube hasta donde la presión lo empuje, ejerciendo una fuerza sobre la barra de contracción,

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después la barra es regresada a la posición inicial por la simple acción de resortes o de la gravedad. La carga solo puede colocarse en un extremo del cilindro.

Figura 33. Cilindro de efecto simple (Web)

Cilindro de efecto doble La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón cuando el líquido entra en este.

Figura 34. Cilindro de efecto doble (Web)

Cilindro telescópico La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con la longitud del cilindro.

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Figura 35. Cilindro telescópico (Web)

3.4.- Tipos de Válvulas. Una válvula es un mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema, en un buque o en cualquier instalación industrial, las válvulas son los elementos más comunes que nos podemos encontrar. Conocer los diferentes tipos de válvulas es una parte importante para cualquier técnico. Son elementos indispensables casi para cualquier tarea de mantenimiento, necesarios para redirigir los caudales entrantes o salientes de sistemas y equipos. Podemos definir válvula como “un mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema”. Partes de la Válvula 1. Obturador: También denominado disco en caso de parte metálica, es la pieza que realiza la interrupción física del fluido. 2. Husillo: o eje, es la parte que conduce y fija el obturador. 3. Asiento: Parte de la válvula donde se realiza el cierre por medio del contacto con el obturador. 4. Empaquetadura del eje: Es la parte que montada alrededor del eje metálico asegura la estanqueidad a la atmósfera del fluido. 5. Juntas de cierre: Es la parte que montada alrededor del órgano de cierre (en algunos casos) asegura una estanqueidad más perfecta del obturador.

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6. Cuerpo y Tapa: Partes retenedoras de presión, son el envolvente de las partes internas de las Válvulas. 7. Extremos: Parte de la válvula que permite la conexión a la tubería, pueden ser bridados, soldados, roscados, ranurados o incluso no disponer de ellos, es decir, permitir que la válvula se acople a la tubería tan solo por las uniones externas (Wafer) 8. Pernos de unión: Son los elementos que unen el cuerpo y tapa de la válvula entre sí. Para asegurar la estanqueidad atmosférica hay que colocar juntas entre estas dos superficies metálicas. 9. Accionamiento: Es el mecanismo que acciona la válvula.

Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: VÁLVULA DE COMPUERTA Instrumentación y Control de Procesos

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Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano, o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiende a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total.

Figura 41. Válvulas de compuerta (Web) Recomendada para ▪

Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.

▪

Para uso poco frecuente.

▪

Para resistencia mínima a la circulación.

▪

Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.

Aplicaciones Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos. Ventajas ▪

Alta capacidad.

▪

Cierre hermético.

▪

Bajo costo.

▪

Diseño y funcionamiento sencillos.

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▪

Poca resistencia a la circulación.

Desventajas ▪

Control deficiente de la circulación.

▪

Se requiere mucha fuerza para accionarla.

▪

Produce cavitación con baja caída de presión.

▪

Debe estar cubierta o cerrada por completo.

▪

La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.

VÁLVULAS DE MACHO La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90°.

Figura 42. Válvula de macho (Web)

Recomendada para: ▪

Servicio con apertura total o cierre total.

▪

Para accionamiento frecuente.

▪

Para baja caída de presión a través de la válvula.

▪

Para resistencia mínima a la circulación.

▪

Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.

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Aplicaciones ▪

Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos.

Ventajas ▪

Alta capacidad.

▪

Bajo costo.

▪

Cierre hermético.

▪

Funcionamiento rápido.

Desventajas ▪

Requiere alta torsión (par) para accionarla.

▪

Desgaste del asiento.

▪

Cavitación con baja caída de presión.

VÁLVULAS DE GLOBO Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que cierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería.

Figura 43. Válvulas de globo (Web)

Recomendada para ▪

Estrangulación o regulación de circulación.

▪

Para accionamiento frecuente.

▪

Para corte positivo de gases o aire.

▪

Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación.

Aplicaciones Instrumentación y Control de Procesos

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▪

Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas.

Ventajas ▪

Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento.

▪

Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete.

▪

Control preciso de la circulación.

▪

Disponible con orificios múltiples.

VÁLVULAS DE BOLA Las válvulas de bol...