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Las válvulas de mariposa son más ligeras, más pequeñas y más livianas que otros tipos de válvulas de control, lo que las convierte en la mejor opción para regular el flujo en muchas aplicaciones. Tradicionalmente, las válvulas de mariposa estándar se han utilizado en aplicaciones de encendido/apagado automático y son perfectas para esta función. Sin embargo, algunos ingenieros las consideran inaceptables cuando se trata de regular el flujo en un sistema de circuito cerrado.
Las válvulas de mariposa utilizan discos giratorios para controlar el flujo a través de las tuberías. Los discos generalmente operan a 90 grados, por lo que a veces se los conoce como válvulas rotativas de ángulo. Por lo general, se utilizan cuando se considera la economía. Cuando se requiere un cierre hermético, se pueden utilizar válvulas de mariposa con sellos elastoméricos suaves y/o discos recubiertos para proporcionar el rendimiento requerido. Las válvulas de mariposa de alto rendimiento (HPBV), o válvulas de doble compensación, son ahora el estándar de la industria para las válvulas de control de mariposa y se utilizan ampliamente para el control de estrangulamiento. Funcionan bien para aplicaciones con caídas de presión relativamente constantes o ciclos de proceso lentos.
Las ventajas de las HPBV incluyen un camino de flujo recto, alta capacidad y la capacidad de pasar medios sólidos y viscosos con facilidad. Generalmente tienen el costo de instalación más bajo de cualquier tipo de válvula, especialmente en NPS 12 y tamaños más grandes. Su ventaja de costo aumenta significativamente en comparación con otros tipos de válvulas en tamaños superiores a 12 pulgadas.
Proporcionan un buen rendimiento de cierre en un amplio rango de temperaturas y están disponibles en diferentes diseños de cuerpo, incluidos wafer, lug y doble brida. Son mucho más livianos y más compactos que otros tipos de válvulas. Por ejemplo, una válvula de bola segmentada de doble brida ANSI Clase 150 de 12 pulgadas pesa 350 libras y tiene una dimensión de cara a cara de 13,31 pulgadas, mientras que una válvula de mariposa lug de 12 pulgadas equivalente pesa solo 200 libras y tiene una dimensión de cara a cara de 3 pulgadas.
Las válvulas de mariposa tienen algunas limitaciones que las hacen inadecuadas para el control de flujo en ciertas aplicaciones. Estas incluyen una capacidad de caída de presión limitada en comparación con las válvulas de bola de globo que tienen un mayor potencial de cavitación o evaporación instantánea.
Debido a que la gran superficie del disco actúa como una palanca, aplicando la fuerza dinámica del medio que fluye al eje de transmisión, las válvulas de mariposa estándar generalmente no se utilizan para aplicaciones de alta presión. Cuando se utilizan, el tamaño y la selección del actuador se vuelven críticos.
Las válvulas de control de mariposa a veces pueden ser sobredimensionadas, lo que puede afectar negativamente el rendimiento del proceso. Esto puede deberse al uso de válvulas de tamaño de línea, especialmente válvulas de mariposa de alta capacidad. Puede aumentar la variabilidad del proceso de dos maneras. Primero, el sobredimensionamiento puede darle a la válvula demasiada ganancia, dejando menos flexibilidad para ajustar el controlador. Segundo, una válvula sobredimensionada puede operar con mayor frecuencia en aberturas de válvula más bajas, y la fricción del sello puede ser mayor en una válvula de mariposa. Debido a que una válvula sobredimensionada produce un cambio de flujo desproporcionadamente grande para un incremento dado del recorrido de la válvula, este fenómeno exagera en gran medida la variabilidad del proceso asociada con la banda muerta inducida por fricción.
Los especificadores a veces utilizan válvulas de mariposa para ser económicos o para adaptarse a un tamaño de línea determinado independientemente de sus limitaciones. Existe una tendencia a sobredimensionar las válvulas de mariposa para evitar pinchar las tuberías, lo que puede generar un control deficiente del proceso.
La mayor limitación es que el rango ideal de control del acelerador no es tan amplio como el de una válvula de bola o una válvula de bola segmentada. Las válvulas de mariposa normalmente no funcionan bien fuera del rango de control de aproximadamente 30% a 50% de apertura.
Generalmente, el bucle es más fácil de controlar cuando el bucle de control opera de manera lineal y la ganancia del proceso es cercana a la unidad. Por lo tanto, una ganancia de proceso de 1.0 se convierte en un objetivo para un buen control del bucle, con un rango aceptable de 0.5 a 2.0 (un rango de 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 % del recorrido de la válvula.
La ganancia del proceso define la relación entre la salida del proceso y el cambio de entrada. Una carrera donde la ganancia del proceso permanece entre 0,5 y 2,0 es el rango de control óptimo para la válvula. Cuando la ganancia del proceso no está en el rango de 0,5 a 2,0, puede ocurrir un rendimiento dinámico deficiente e inestabilidad del bucle.
El diseño del disco de mariposa tiene un efecto significativo en el flujo de la válvula a medida que la válvula pasa de cerrada a abierta. Los discos con características de porcentaje igual inherentes pueden compensar mejor las caídas de presión que varían con el flujo. Los ajustes de porcentaje igual proporcionarán características de montaje lineal para una caída de presión variable, lo cual es ideal. El resultado es una variación uno a uno más precisa entre el flujo y el recorrido de la válvula.
Las válvulas de mariposa han introducido recientemente discos con características inherentes de flujo de porcentaje igual. Esto proporciona una característica de instalación que permite una ganancia en el proceso de instalación en el rango deseado de 0,5 a 2,0 en carreras más amplias. Esto mejora significativamente el control del acelerador, especialmente en el rango de recorrido inferior.
Este diseño proporciona un buen control, con una ganancia aceptable de 0,5 a 2,0, desde aproximadamente el 11 % abierto hasta el 70 %, un aumento de casi tres veces en el rango de control en comparación con una válvula de mariposa de alto rendimiento (HPBV) típica del mismo tamaño. Por lo tanto, porcentajes iguales de discos proporcionan una variabilidad general del proceso menor.
Las válvulas de mariposa con características de porcentaje igual inherentes, como la válvula Control-Disk, son ideales para procesos que requieren un rendimiento de control de estrangulamiento preciso. Se pueden controlar más cerca del punto de ajuste objetivo independientemente de las perturbaciones del proceso, lo que reduce la variabilidad del proceso.
Si la válvula de mariposa no funciona bien, simplemente reemplazarla con una válvula de tamaño adecuado resolverá el problema. Por ejemplo, una empresa papelera está utilizando dos válvulas de mariposa de gran tamaño para controlar la eliminación de humedad de la pulpa. Ambas válvulas funcionaron con menos del 20 % de recorrido, lo que resultó en una variabilidad del proceso de 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 controlador de válvula digital. El lazo ahora está funcionando en modo automático con una variabilidad de proceso del 3,5 % al 1,6 % para la primera válvula y del 8 % al 3,0 % para la segunda válvula sin ningún ajuste especial del lazo.
La mala presión de agua y el control del flujo en el sistema de enfriamiento de la fábrica de acero dieron como resultado productos finales inconsistentes. Las nueve HPBV instaladas no pudieron controlar eficazmente el flujo de agua como se requería.
La planta quería instalar válvulas que controlaran mejor el proceso y necesitaba minimizar los costos de instalación. La planta gastará $10,000 para reemplazar las tuberías de cada válvula para cambiar de HPBV a válvulas de bola segmentadas. En cambio, Emerson recomienda utilizar una válvula de mariposa Control-Disk que cumpla con las dimensiones cara a cara de las HPBV actuales.
Se probó una válvula Control-Disk junto con una de las nueve HPBV existentes y funcionó según los requisitos especificados. La planta reemplazó las ocho HPBV restantes en un año, cada una equipada con una válvula Control-Disk, eliminando la necesidad de reemplazar la plomería de $90,000 para la válvula de bola segmentada, y la válvula de bola costó aproximadamente un 25% más que la válvula de mariposa.
Las válvulas Control-Disk brindan un control preciso y ayudan a eliminar la variabilidad en el producto final. La fábrica estima que la instalación de nueve válvulas Control-Disk ahorrará alrededor de $1 millón al año.
En comparación con la mayoría de los otros tipos de válvulas, las HPBV con posicionadores digitales tienen costos de instalación inicial más bajos y, cuando tienen el tamaño adecuado, brindan un rango de control adecuado. Tienen alta capacidad y restricciones de flujo mínimas. Las válvulas de mariposa con ajustes de porcentaje igual inherentes ofrecen la oportunidad de extender el rango de control, de manera similar a las válvulas de globo o de bola, y ocupan solo el espacio de la HPBV.
Al seleccionar válvulas, especialmente HPBV, asegúrese de que sean del tamaño correcto; de lo contrario, podrían ser controladas manualmente por la sala de control. También es importante considerar el estilo de la válvula, las características inherentes y el tamaño de la válvula, que proporcionarán el rango más amplio de control para la aplicación.
Mark Nymeyer es el gerente de comunicaciones de marketing global de Emerson Automation Solutions, responsable del control de tráfico.
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Hora de publicación: 20 de enero de 2022
