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.