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Las válvulas de mariposa son más livianas, pequeñas y livianas que otros tipos de válvulas de control, lo que las convierte en la mejor opción para regular el flujo en muchas aplicaciones. Las válvulas de mariposa estándar se utilizan tradicionalmente para aplicaciones de apertura/cierre automático y son muy adecuadas para esta función. Sin embargo, cuando se trata de regular el flujo en un sistema de circuito cerrado, algunos ingenieros lo consideran inaceptable.
La válvula de mariposa utiliza un disco giratorio para controlar el flujo a través de la tubería. Los discos generalmente se pueden operar en 90 grados, por lo que a veces se les llama válvulas de un cuarto de vuelta. Por lo general, se utilizan cuando se considera la economía. Cuando se requiere un cierre hermético, se pueden utilizar válvulas de mariposa con sellos elásticos suaves y/o discos recubiertos para proporcionar el rendimiento requerido. La válvula de mariposa de alto rendimiento (HPBV), o válvula de doble compensación, es ahora el estándar de la industria para las válvulas de control de mariposa y se usa ampliamente para el control de estrangulación. Funcionan bien para aplicaciones con caída de presión relativamente constante o bucles de proceso lentos.
Las ventajas de HPBV incluyen una trayectoria de flujo directa, alta capacidad y la capacidad de pasar fácilmente medios sólidos y viscosos. Su costo de instalación suele ser el más bajo de todos los tipos de válvulas, especialmente las válvulas NPS 12 y mayores. En comparación con otros tipos de válvulas, su ventaja de costos aumenta significativamente cuando el tamaño supera las 12 pulgadas.
Pueden proporcionar un buen rendimiento de cierre en un amplio rango de temperaturas y proporcionar diferentes diseños de cuerpo de válvula, incluido el tipo wafer, tipo orejeta y doble brida. Son mucho más ligeras que otro tipo de válvulas y más compactas. Por ejemplo, una válvula de bola segmentada de doble brida ANSI Clase 150 de 12 pulgadas pesa 350 libras y tiene una dimensión cara a cara de 13.31 pulgadas, mientras que la válvula de mariposa de orejeta equivalente de 12 pulgadas pesa solo 200 libras y una dimensión cara a cara. dimensión de la cara de 3 pulgadas.
Las válvulas de mariposa tienen algunas limitaciones que las hacen inadecuadas para el control de flujo en determinadas aplicaciones. Estos incluyen capacidades limitadas de caída de presión en comparación con las válvulas de bola, con mayor potencial de cavitación o destellos.
Debido a que la gran superficie del disco actúa como una palanca para aplicar la fuerza dinámica del medio que fluye al eje impulsor, las válvulas de mariposa estándar generalmente no se usan para aplicaciones de alta presión. Si es así, el tamaño y la selección del actuador se vuelven críticos.
A veces sucede que la válvula de control de mariposa está sobredimensionada, lo que tendrá un impacto negativo en el rendimiento del proceso. Esto puede deberse al uso de válvulas del tamaño de una tubería, especialmente válvulas de mariposa de gran capacidad. Puede aumentar la variabilidad del proceso de dos maneras. En primer lugar, el sobredimensionamiento aporta demasiada ganancia a la válvula y, por lo tanto, carece de flexibilidad para ajustar el controlador. En segundo lugar, las válvulas sobredimensionadas pueden funcionar con mayor frecuencia en aberturas de válvula más bajas, mientras que la fricción de sellado de las válvulas de mariposa puede ser mayor. Porque para un incremento determinado de la carrera de la válvula, una válvula excesivamente grande producirá cambios de flujo desproporcionadamente grandes. Este fenómeno exagerará en gran medida la variabilidad del proceso asociada con la zona muerta debido a la fricción.
Los creadores de códigos a veces utilizan válvulas de mariposa por razones económicas o para adaptarse a un tamaño de tubería determinado, independientemente de sus limitaciones. Existe una tendencia a sobredimensionar la válvula de mariposa para evitar apretar la tubería, lo que puede provocar un control deficiente del proceso.
La mayor limitación es que el rango de control de aceleración ideal no es tan amplio como el de una válvula de cierre o una válvula de bola segmentada. Las válvulas de mariposa generalmente no funcionan bien fuera del rango de control de apertura de aproximadamente 30% a 50%.
Generalmente, cuando el bucle de control funciona de forma lineal y la ganancia del proceso es cercana a 1, el bucle es más fácil de controlar. Por lo tanto, una ganancia de proceso de 1,0 se convierte en el objetivo para un buen control del bucle y el rango aceptable es de 0,5 a 2,0 (rango 4:1).
El rendimiento es mejor cuando la mayor parte de la ganancia del bucle proviene del controlador. Tenga en cuenta que en la curva de ganancia de la Figura 1, la ganancia del proceso se vuelve bastante alta en la región por debajo de aproximadamente el 25% de la carrera de la válvula.
La ganancia del proceso define la relación entre la salida del proceso y los cambios en las entradas. La carrera donde la ganancia del proceso se mantiene entre 0,5 y 2,0 es el rango de control óptimo de la válvula. Cuando la ganancia del proceso no está en el rango de 0,5 a 2,0, puede producirse un rendimiento dinámico deficiente e inestabilidad del bucle.
Cuando la válvula se cierra para abrir, el diseño del disco de la válvula de mariposa tiene un impacto significativo en el flujo de la válvula. El disco con características inherentes de igual porcentaje puede compensar mejor la caída de presión que cambia con el caudal. Los componentes internos de igual porcentaje proporcionarán características de instalación lineales para cambiar la caída de presión, lo cual es ideal. El resultado es un cambio uno a uno más preciso entre el caudal y la carrera de la válvula.
Recientemente, las válvulas de mariposa pueden usar discos con características inherentes de flujo de igual porcentaje. Esto proporciona una característica de instalación que da como resultado una ganancia en el proceso de instalación dentro del rango requerido de 0,5 a 2,0 en un rango de recorrido más amplio. Esto mejorará significativamente el control de aceleración, especialmente en el rango de recorrido más bajo.
Este diseño proporciona un buen control, con una ganancia aceptable de 0,5 a 2,0 desde aproximadamente el 11% de apertura al 70%, y el rango de control es casi tres veces mayor que el de una válvula de mariposa de alto rendimiento (HPBV) típica del mismo tamaño. Por lo tanto, los discos de igual porcentaje proporcionan una variabilidad general del proceso más baja.
Las válvulas de mariposa con características inherentes de igual porcentaje, como las válvulas de disco de control, son ideales para procesos que requieren un rendimiento de control de aceleración preciso. Independientemente de las perturbaciones del proceso, se pueden controlar más cerca del punto de ajuste objetivo, reduciendo así la variabilidad del proceso.
Si la válvula de mariposa no funciona bien, simplemente reemplace la válvula con una del tamaño correcto para resolver el problema. Por ejemplo, una empresa papelera utiliza dos válvulas de mariposa de gran tamaño para controlar la eliminación de la humedad de la pulpa. Las dos válvulas operan a menos del 20% de la carrera, lo que resulta en una variación del proceso del 3,5% y 8,0%, respectivamente. La mayor parte de su vida útil transcurre en modo manual.
Se instalaron dos válvulas de mariposa Fisher Control-Disk NPS 4 de tamaño adecuado con controladores de válvula digitales. El circuito ahora está funcionando en modo automático, la variabilidad del proceso de la primera válvula aumentó del 3,5% al 1,6% y la variabilidad del proceso de la segunda válvula aumentó del 8% al 3,0%, sin ningún ajuste especial del circuito.
La mala presión del agua y el control del flujo del sistema de refrigeración de la planta siderúrgica provocaron inconsistencias en el producto final. La HPBV instalada en Jiutai no pudo controlar eficazmente el flujo de agua según se requería.
La planta espera instalar válvulas que puedan controlar mejor el proceso y necesita minimizar los costos de instalación. La fábrica gastará $10,000 para reemplazar las tuberías de cada válvula para cambiar de HPBV a válvulas de bola segmentadas. En cambio, Emerson recomienda que su válvula de mariposa Control-Disk se ajuste al tamaño de cara a cara HPBV actual.
Se probó una válvula Control-Disk junto con una de las nueve HPBV existentes y su rendimiento cumplió con los requisitos especificados. La fábrica reemplazó los 8 HPBV restantes en un año y cada HPBV estaba equipado con una válvula Control-Disk. Esto eliminó la necesidad de reemplazar tuberías de $90,000 por válvulas de bola segmentadas, y el costo de las válvulas de bola aumentó aproximadamente un 25 % en comparación con las válvulas de mariposa.
Las válvulas Control-Disk brindan un control preciso y ayudan a eliminar la variabilidad en el producto final. La planta siderúrgica estima que la instalación de nueve válvulas Control-Disk puede ahorrar aproximadamente 1 millón de dólares al año.
En comparación con la mayoría de los otros tipos de válvulas, la HPBV con posicionador digital tiene un costo de instalación inicial más bajo y puede proporcionar un rango de control adecuado cuando el tamaño es el correcto. Tienen alta capacidad y restricciones mínimas de flujo. La válvula de mariposa con un porcentaje inherentemente igual de piezas internas brinda la oportunidad de ampliar el rango de control, similar a una válvula de globo o una válvula de bola, y solo ocupa el espacio de la HPBV.
Al seleccionar válvulas, especialmente HPBV, asegúrese de que sean del tamaño correcto; de lo contrario, es posible que la sala de control las controle manualmente. También es importante considerar el tipo de válvula, las características inherentes y el tamaño de la válvula que proporcionan el rango de control más amplio para la aplicación.
Mark Nymeyer es gerente de comunicaciones de marketing global para control de flujo en Emerson Automation Solutions.
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Hora de publicación: 11 de octubre de 2021
