2.4
Válvula de vías neumáticas y hidráulicas
Generalidades
Los circuitos neumáticos están constituidos por los
actuadores que efectúan el trabajo y por aquellos elementos de señalización y
de mando que gobiernan el paso del aire comprimido, y por lo tanto la maniobra
de aquellos, denominándose de una manera genérica válvulas.
Estos elementos tienen como finalidad mandar o regular la
puesta en marcha o el paro del sistema, el sentido del flujo, así como la
presión o el caudal del fluido procedente del depósito regulador.
Según su función las válvulas se subdividen en los grupos
siguientes:
1. Válvulas de vías o distribuidoras
2. Válvulas de bloqueo
3. Válvulas de presión
4. Válvulas de caudal y de cierre
Válvulas distribuidoras
Estas válvulas son los componentes que determinan el
camino que ha de seguir el aire en cada momento, gobernando a la postre el
sentido de desplazamiento de los actuadores. Trabajan En dos o más posiciones
fijas determinadas. En principio, no pueden trabajar en posiciones Intermedias.
Representación esquemática de las válvulas
Análogamente que en los actuadores es preciso utilizar
una representación simbólica para expresar gráficamente las válvulas, como en
aquel caso se utilizan anagramas que representan Exclusivamente su función de
una manera tremendamente significativa. No indican detalles Constructivos,
representándose de idéntica manera válvulas diferentes constructivamente
hablando pero que cumplen la misma función. La representación que se utiliza
corresponde a la norma ISO 1219, que es idéntica a la norma de la Comisión
Europea de la Transmisiones Neumáticas y Oleo hidráulicas (CETOP). Se trata de
una representación que refleja la función y el funcionamiento de las válvulas
de una Manera tremendamente significativa. A continuación se relacionan las
cuestiones más importantes.
-Cada
posición que puede adoptar una válvula distribuidora se
Representa
por medio de un cuadrado.
-El
número de cuadrados yuxtapuestos indica el número de posibles
Posiciones
de la válvula distribuidora.
-El
funcionamiento de cada posición se representa esquemáticamente en el interior
de cada casilla.
-Las
líneas representan los conductos internos de la válvula. Las Flechas, el
sentido exclusivo o prioritario de circulación del fluido.
-Las
posiciones de cierre dentro de las casillas se representan Mediante líneas
transversales.
-La
unión de conductos internos se representa mediante un punto
-Las
conexiones externas (entradas y salidas) se representan por Medio de trazos
unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo Inicial. Las uniones
con los actuadores figuran en la parte superior y la Alimentación de aire
comprimido y el escape en la inferior.
-La
otra posición u otras posiciones se obtienen desplazando Lateralmente los
cuadrados, hasta que las conexiones coincidan.
-Las
posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas
A,
b, c, d.
-Si
la válvula es de tres posiciones, la intermedia es, en principio, la
De
reposo.
-Por
posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de
reposición automática, aquella posición que ocupa cuando sobre la válvula no se
ejerce ninguna acción. Se denomina igualmente posición estable y la válvula se dice
que es monoestable.
-Los
conductos de escape a través de un conducto se representan con un triángulo
ligeramente separado del símbolo de la válvula.
-Los
conductos de escape sin empalme de tubo, es decir cuando el aire se evacua
directamente a la atmósfera se representan mediante un Triángulo unido al
símbolo de la válvula.
-Si
el fluido que circula es aire comprimido, es decir en neumática, el triángulo
tendrá aristas negras y fondo blanco. Si se trata de aceite, o sea en óleo
hidráulica, el triángulo será negro en su totalidad.
-Las
conexiones externas se identifican por medio de letras mayúsculas o números:
•
Tuberías o conductos de trabajo, es decir las uniones con los actuadores: A, B,…
o Bien 2, 4,6
•
Conexión con la alimentación del aire comprimido: P ó 1
•
Salida de escape R, S, T ó 3, 5,7
2.4.1
Características de las válvulas por su construcción
Las características constructivas de las válvulas
determinan su forma de trabajar, la fuerza de accionamiento requerida, el
desplazamiento del obturador, su grado
de estanquidad, su racordaje o conexiones externas, su tamaño, su robustez y
posible duración y otras características.
Según su construcción, se distinguen los tipos
siguientes:
• Válvulas de asiento
• Válvulas de
corredera
Válvulas de asiento
En estas válvulas el obturador está formado por bolas,
semiesferas, discos, placas o conos que apoyan sobre un asiento, obteniendo una
perfecta estanquidad de una manera muy simple.
Los elementos de desgaste son muy pocos y, por tanto, estas válvulas
tienen gran duración. Son insensibles a
la suciedad y muy robustas.
Normalmente cuentan con un muelle incorporado para el
reposicionamiento y se requiere.
Una fuerza de accionamiento relativamente elevada para
vencer la resistencia de éste y de la Presión del aire. Sin embargo, el
desplazamiento necesario del obturador para pasar de posición abierta a cerrada
es muy reducido.
Algunas de las soluciones constructivas existentes no son capaces de evitar que se Escape aire a
la atmósfera cuando la conmutación se produce de forma lenta. Este fenómeno Indeseable
se conoce como solape.
Válvulas de asiento esférico
Estas válvulas son de concepción muy simple y, por tanto,
muy económicas. Se distinguen por sus dimensiones muy pequeñas. Un muelle
mantiene apretada la bola contra el asiento; el aire comprimido no puede fluir
del empalme 1 (P) hacia la tubería de trabajo 2 (A). Al accionar el taqué, la bola se separa del asiento. Es necesario
vencer al efecto la resistencia del
muelle de re posicionamiento y la fuerza del aire comprimido. Estas válvulas distribuidoras pueden ser
2/2 (Figura 4-1) o bien 3/2 (Figura 4-2)
con escape a través del taqué de accionamiento. El accionamiento puede ser manual o mecánico.
VÁLVULAS DE ASIENTO PLANO
Disponen de una junta simple que asegura la estanquidad
necesaria. El tiempo de repuesta es muy pequeño puesto que con un
desplazamiento corto se consigue un gran caudal de paso. También estas válvulas
son insensibles a la suciedad y tienen, por eso, una duración muy larga.
Por el contrario las válvulas construidas según el principio de disco individual tienen un
Escape sin solape. No se pierde aire cuando la
conmutación tiene lugar de forma lenta. En estas válvulas al accionar el taqué se cierra
primeramente el conducto de escape de A(2) hacia R(3), porque el taqué asienta sobre el disco, antes
de abrir el conducto de P(1). Al seguir apretando, el disco se separa del asiento, y el aire puede
circular de P (1) hacia A(2). Se dice que la válvula carece de solape. En la
Figura 4-3 se representa una válvula normalmente cerrada de este tipo.
Algunas válvulas al ser accionadas, en primer término se
unen simultáneamente las tres vías P, A y R. Como consecuencia, en movimientos
lentos, una cierta cantidad de aire comprimido escapa de P directamente a la
atmósfera R, sin haber realizado antes trabajo. Se dice que estas válvulas
tienen solape (figura 4.5).
Las válvulas distribuidoras 3/2 se utilizan para mandos
con cilindros de simple efecto o para el pilotaje de servo elementos.
En el caso de una válvula normalmente abierta o abierta
en reposo (abierta de P (1) hacia A (2)), al accionar el taqué se cierra con un
disco el paso de P (1) hacia A (2). Al seguir apretando, Otro disco se levanta de su asiento y abre el
paso de A (2) hacia R (3). El aire puede
escapar Entonces por R (3). Al soltar el
taqué, los muelles reposicionan el
émbolo con los discos Estanquizantes
hasta su posición inicial (Figura 4-4).
Las válvulas pueden accionarse manualmente o por medio de
elementos mecánicos.
Eléctricos o neumáticos. El caso de una válvula 3/2
accionada neumáticamente puede verse en la Figura 4-5. Al aplicar aire
comprimido al émbolo de mando a través del empalme Z (12) Desplaza el émbolo de la válvula venciendo la
fuerza del muelle de reposicionamiento. Se unen los conductos P (1) y A (2).
Cuando se pone a escape el conducto de mando Z, el émbolo de mando regresa a su
posición inicial por el efecto del muelle montado. El disco cierra el paso de P
(1) hacia A (2). El aire de salida del conducto de trabajo A (2) puede escapar
por R (3). Se trata de una válvula con solape, pues en el primer momento en que
desciende el émbolo se ponen en contacto 1, 2 y 3 simultáneamente.
Una válvula 4/2 que trabaja según este principio es una combinación
de dos válvulas 3/2.
Una de ellas normalmente cerrada y las otras normalmente
abiertas alojadas dentro de la misma
Carcasa.
Los conductos de P (1) hacia A (2) y de B (4) hacia R (3)
están abiertos. Al accionar Simultáneamente los dos taqués, se cierra el paso
de P (1) hacia A (2) y de B (4) hacia R (3). Al Seguir apretando los taqués
contra los discos, venciendo la fuerza de los muelles de re posicionamiento se
abren los pasos de P (1) hacia B (4) y de A (2) hacia R (3) (figura 4.6).
Esta válvula tiene un escape sin solape y regresa a su
posición inicial por la fuerza de los muelles. Se emplea para mandos de
cilindros de doble efecto.
En la Figura 4-7 se observa una válvula distribuidora 5/2 denominada de
disco flotante. Se invierte alternativamente por pilotaje mediante aire
comprimido y permanece en la posición correspondiente hasta que recibe un
impulso inverso. Se dice que es una válvula biestable. Al recibir presión, el
émbolo de mando se desplaza. En el centro de dicho émbolo se encuentra un disco con una junta anular, que une los conductos de trabajo A (2) ó B (4)
con empalme de presión P (1) o los
separa de éste. El escape se realiza a través de R (3) ó S (5).
Aunque en un principio pudiera parecer que se trata de
una válvula de corredera (4.2.5) se trata de una válvula de asiento, pues
aunque dispone de una corredera la estanquidad se consigue mediante asiento.
VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2, SERVO PILOTADA
Cuando la válvula tiene un diámetro medio o grande se requiere un esfuerzo de accionamiento
superior al que en determinados casos es factible. Para obviar esta dificultad
se utiliza el denominado servo pilotaje que consiste en actuar sobre una pequeña
válvula auxiliar, que abierta deja paso al aire para que actúe sobre la válvula
principal. Es decir el servo pilotaje es simplemente un multiplicador de
esfuerzos.
Funcionamiento:
La válvula con servo pilotaje (Figura 4-8) posee en su
interior un pequeño conducto con una válvula auxiliar que conecta presión (1)
con la cámara del émbolo que acciona la válvula. Cuando se acciona el rodillo,
se abre la válvula auxiliar de servo pilotaje el aire comprimido circula hacia
la cámara superior del émbolo que al desplazarlo modifica la posición de la
válvula principal 3/2.
La inversión se realiza en dos fases para evitar el
solape (Figura 4-9). En primer lugar se cierra el conducto de A(2) hacia R(3),
y luego se abre el P(1) hacia A(2). La válvula se re posiciona por muelle al
soltar el rodillo. Se cierra el paso de la tubería de presión hacia la cámara
del émbolo y se purga de aire. El muelle hace regresar el émbolo de mando de la
válvula principal a su posición inicial.
Válvulas de corredera
En estas válvulas, las conexiones externas se relacionan
unas con otras o se cierran por Medio de una corredera longitudinal o
giratoria, que se desplaza o gira dentro de un cuerpo de Válvula (figura 4-10).
VÁLVULA DE CORREDERA LONGITUDINAL
El elemento de mando de esta válvula es un émbolo que
realiza un desplazamiento.
Longitudinal, uniendo o separando al mismo tiempo los
correspondientes conductos (Figura 4-10). La corredera está formada por
cilindros y discos coaxiales de diferente diámetro dispuestos Consecutivamente.
La fuerza de accionamiento requerida es reducida, porque no hay que vencer una
resistencia de presión de aire o de muelle, como en el caso de las válvulas de
asiento. Las válvulas de corredera longitudinal pueden accionarse manualmente o
mediante medios mecánicos, eléctricos o neumáticos. Estos tipos de
accionamiento también pueden emplearse para re posicionar la válvula a su
posición inicial. La carrera es mayor que en las válvulas de asiento.
En este tipo de válvulas la estanquidad es más imperfecta
que en las válvulas de asiento.
La solución del problema mediante un ajuste mecánico
entre corredera y el cuerpo de la válvula redundaría en grandes costos, casi
prohibitivos, ya que para reducir las fugas al mínimo, en neumática, el juego
entre la corredera y el cilindro no debe sobrepasar de 2 a 4 µm. Para que los
costos de fabricación no sean excesivos, se utilizan juntas teóricas en el
cuerpo o en la corredera. Al objeto de evitar que los elementos estanquizantes
se dañen, los orificios de empalme pueden repartirse en la superficie del
cilindro.
VÁLVULA DE 5/3 VÍAS
Esta válvula tiene cinco conexiones: presión, dos con
trabajo y dos con la atmósfera, y Puede adoptar tres posiciones. Las conexiones
14 ó 12 accionan la válvula mediante
aire Comprimido. En la parte superior de la Figura 4-11 se muestra en su
posición estable intermedia. La válvula se centra por efecto de los muelles,
cuando no se produce ninguno de los pilotajes. En este caso las 5 vías se
encuentran cerradas. Seguidamente se muestra la válvula de 5/3 vías después de
haber aplicado una señal de pilotaje en 14. El aire fluye de 1 a 4. La conexión
2 se descarga por la 3, mientras que la 5 queda libre. En último lugar aparece
la misma válvula después de haber aplicado la señal de pilotaje en 12, 1 se une
con 2, 4 con 5 y 3 queda libre.
2.4.2
Accionamiento de las válvulas
Las válvulas pueden ser accionadas de diferentes maneras,
incluso pueden accionarse de Manera distinta en un sentido u otro. El
accionamiento puede ser manual, mecánico, neumático o eléctrico. El primero se hace mediante
pulsador, palanca o pedal. El mecánico se efectúa por medio de una leva, muelle o rodillo; éste
puede ser normal o escamotea-ble es decir si sólo actúa cuando se desplaza el rodillo en un sentido
mientras que en el otro se retrae.
En el accionamiento neumático se utiliza aire comprimido
del mismo circuito o de otro Auxiliar para maniobrar la posición de la válvula.
Generalmente se necesita una presión mínima del
aire (presión mínima de pilotaje o de mando) para poder accionar la
válvula. Dicha presión se especifica en
los catálogos en función de la presión de trabajo del circuito.
El accionamiento eléctrico se efectúa con la fuerza que
se provoca al hacer pasar una Corriente eléctrica alrededor de una bobina con
un núcleo de hierro desplaza-ble en su
interior. Tiene muchas ventajas frente
al resto de accionamientos y da lugar a una tecnología conocida como Electro neumática que se estudia en el
capítulo 6.
Los accionamientos se representan en las líneas laterales
de los cuadrados extremos que Simbolizan las válvulas, mediante un pequeño
símbolo. En la tabla 4-1 se representan los más Significativos.
2.4.3.-Determinación del tamaño de la válvula
Por dimensionamiento se entiende la determinación del
tamaño de la válvula, que viene dado por su diámetro. Es evidente que hay
razones económicas que hacen que esta tarea sea importante, hay que tratar que
este dispositivo tenga el menor tamaño (y por lo tanto el menor costo). Pero
también hay razones técnicas, ya que válvulas sobre dimensionadas pueden llegar
a tener un pobre desempeño cuando trabajan en un lazo de control.
El método más aceptado para el dimensionamiento es
conocido como el Procedimiento de Cv. Cv es el Coeficiente de Flujo de la
válvula y depende del tipo, diámetro y grado de apertura de este dispositivo.
Las fórmulas básicas para el cálculo de Cv son:
Donde:
F: Caudal. Para líquidos en
(gal/min), para vapor en (lb/h) y para gases en
(ft3/seg) estándar (60 °F y 14.7 psia)
PV: Pérdida de carga en la válvula en
(psig)
P1: Presión aguas arriba (psia)
P2: Presión aguas abajo(psia)
: Densidad relativa del líquido
respecto del agua a 60 °F
Tsh: Recalentamiento del vapor
respecto de las condiciones de saturación (°F).
Vale cero para vapor saturado.
G: Densidad relativa del gas respecto
al aire a 60 °F y 14.7 psia
T1: Temperatura del gas a la entrada de la válvula
Esto sólo se aplica cuando el régimen de flujo es
subcrítico y turbulento. Además, para líquidos hay que verificar que no se
produzca cavitación. Si el régimen es viscoso o de transición se deben aplicar
otras fórmulas. Cuando hay vaporización parcial del líquido, el régimen es
crítico y se tiene en cuenta con una ecuación de dimensionamiento distinta con
un coeficiente adicional. Para gases, también se debe tener en cuenta si el
régimen es crítico o de transición.
Para un tipo determinado de válvula, el coeficiente Cv es
proporcionado por el fabricante y depende del diámetro (d) y de la apertura
(x):
Los fabricantes proveen tablas (o
gráficos) de Cv en función del diámetro y la apertura.
Los datos que se precisan para
dimensionar una válvula son:
Presión aguas arriba
y abajo de la válvula.
Si la válvula se va a instalar en una línea existente,
esto se puede conocer, ya que existe el mecanismo de movimiento del fluido
(bombas, altura gravimétrica, colector de alta y baja presión, etc.).
Si se está proyectando la línea en la
que se instala la válvula, se debe adoptar una pérdida de carga “razonable”. La
experiencia sugiere que la pérdida de carga PV sea aproximadamente la tercera parte de la perdida de carga
total (incluida la válvula).
Rango de caudales de
trabajo.
Se
deben conocer entre que valores de flujos trabajará en estado estacionario la
válvula. Esto implica fijar FNmin: caudal de estado estacionario
mínimo
FNmax: caudal de estado estacionario
máximo Para estos dos caudales habrá que
calcular los respectivos Cv (CvNmin, CvNmax). De tablas de Cv proporcionada por
los fabricantes se puede calcular la apertura en el rango de operación. Se
debe escoger el diámetro de modo que la válvula trabaje en el término medio de
su carrera (30 al 70 % de apertura), preferentemente lo más próximo al límite superior.
Una práctica recomendada es evaluar también
el caudal máximo que pasará en condiciones de máxima apertura (Fmax). La
experiencia práctica recomienda que Fmax sea 25 a 30 % mayor a FNmax.
Temperatura y
propiedades físicas del fluido. Dependiendo del tipo de servicio se requiere
conocer temperatura, densidad, viscosidad, presión de vapor, etc.
