En el vertiginoso mundo de la automatización industrial, la innovación reconfigura continuamente nuestra forma de enfocar la eficiencia y la precisión. Uno de esos avances revolucionarios que ha transformado diversos sectores es la integración de válvulas automatizadas. Estas sofisticadas válvulas, impulsadas por tecnología punta, han cambiado las reglas del juego, agilizando los procesos, mejorando el control y elevando el rendimiento operativo general.

In this article, we’ll delve into the fascinating realm of how automated valves work and the functioning of automated gate, globe, and butterfly valves.

¿Qué son las válvulas automatizadas?

Válvulas automatizadas son dispositivos de control avanzados que aprovechan la tecnología automatizada para regular el flujo de líquidos, gases u otras sustancias dentro de un sistema. A diferencia de las válvulas manuales tradicionales, que requieren manipulación manual, las válvulas automatizadas están equipadas con actuadores, sensores y controladores que funcionan automáticamente en función de condiciones preestablecidas o de información en tiempo real.

El uso de válvulas automatizadas está muy extendido en sectores como el petróleo y el gas, el tratamiento de aguas y la fabricación, entre otros. Sus capacidades de automatización mejoran la eficiencia, reducen la necesidad de intervención manual y contribuyen a un control más seguro y preciso de los sistemas de fluidos. Las válvulas automatizadas son cruciales en los procesos industriales modernos, desde las simples funciones de encendido/apagado hasta el complejo control proporcional.

¿Cómo funcionan las válvulas automáticas?

El objetivo de automatización de válvulas es hacer que actúen por sí mismos y respondan a factores del proceso o a condiciones de trabajo específicas. Para ello, los sensores detectan cambios en magnitudes como la presión y la temperatura, y el sistema de control envía una señal al actuador, ordenándole que emprenda la acción necesaria. Aunque el principio básico de las válvulas automatizadas es el mismo, el principio de funcionamiento cambia en función del tipo de actuador utilizado. Los tipos más comunes son los actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos.

Actuadores neumáticos

Estos actuadores funcionan con aire a presión, que oscila entre 3 y 8 bares según el tamaño y la velocidad de la válvula. La unidad de control distribuye aire a la membrana o el pistón unidos al vástago para accionar una válvula automatizada. La señal de aire que entra en la válvula viene determinada por una variable medible, como la temperatura o la presión del proceso, por lo que no requiere intervención humana.

Se dice que el actuador actúa directamente cuando la presión del aire lo cierra, la acción del muelle de la válvula lo abre, y la válvula generalmente se cierra. Si, por el contrario, la presión del aire abre la válvula y la acción del muelle la cierra, el actuador es de acción inversa, y la válvula suele estar abierta. También existen actuadores de doble efecto, que permiten la entrada de aire por ambos lados del diafragma. Como resultado, la posición de la válvula viene determinada por la presión diferencial a través del diafragma.

Actuadores hidráulicos

Los actuadores hidráulicos, al igual que los neumáticos, utilizan la presión del fluido procedente del aceite o del agua para controlar las válvulas. Además, un pistón convierte la presión de la señal en movimiento del vástago de la válvula con la fuerza de un muelle, devolviendo la válvula a su posición normal en caso de pérdida de presión. Pueden manejar aplicaciones de gran fuerza, pero no pueden activar las válvulas tan rápidamente como los actuadores neumáticos. Generalmente, la línea de suministro de fluido a la válvula es de una pulgada o menos para garantizar la velocidad y la alta presión de los controles. Un solenoide se activa para permitir que el fluido entre y controle la válvula.

Actuadores eléctricos

Los actuadores eléctricos suelen utilizar motores reversibles de alta velocidad para abrir, cerrar y regular válvulas. Son más eficientes energéticamente, no tóxicos y silenciosos que los sistemas neumáticos e hidráulicos. Además, la conexión del motor a la válvula suele hacerse a través de un sistema de engranajes, que limita la velocidad al tiempo que aumenta la entrega de par al vástago. Un motor reversible permite accionar la válvula en ambos sentidos (apertura y cierre). Los actuadores eléctricos son apropiados para válvulas grandes y de alta presión por su rápida reacción y fuerte par.

Factores a tener en cuenta en la automatización de válvulas

Automatización de válvulas implica una cuidadosa consideración de diversos factores para garantizar un rendimiento, una eficacia y una seguridad óptimos en los procesos industriales. A continuación se enumeran los factores clave que deben tenerse en cuenta:

Par de apriete

This is an essential consideration in valve automation since the torque rating of a valve affects actuator requirements. The actuator’s proper sizing ensures it can open or close the valve whenever needed. The torque rating of valves varies depending on the kind and size of the valve, with quarter-turn valves requiring the least.

The flow media pressure is another aspect that influences torque rating. Breakaway torque is an important metric when defining a valve torque rating because it is the greatest torque necessary to operate the valve. The rotational force necessary to open a valve from a fully closed position is called breakaway torque. It is more than the valve’s running torque, and valve manufacturers usually provide its value in terms of nominal pressure.

Factor de seguridad

Una vez obtenido el par nominal, debe aplicarse un factor de seguridad. El par nominal proporcionado por el proveedor/fabricante de la válvula puede incluir un factor de seguridad. Sin embargo, éste debe mencionarse explícitamente y no deducirse. El medio de flujo, la frecuencia de funcionamiento y el tipo de funcionamiento influyen en la selección de un factor de seguridad adecuado.

Tamaño del actuador

Una vez determinadas las necesidades de par, el siguiente paso es elegir un actuador adecuado. Cuanto mayor sea el tamaño del actuador para válvulas neumáticas e hidráulicas, menor será la presión de pilotaje. Sea cual sea el tamaño del actuador, debe proporcionar un par igual o superior al par nominal de la válvula, incluido el factor de seguridad.

Los fabricantes diseñan las válvulas con una interfaz de almohadilla de montaje ISO 5211 para facilitar la automatización. Esta norma garantiza que la interfaz entre la válvula y el actuador sea la misma para todos los equipos que funcionen dentro del mismo rango de par. También ayuda a eliminar el uso de costosos kits de montaje, que ocupan espacio y añaden peso al conjunto. Siguiendo esta norma, es probable que el vástago de la válvula y el eje del actuador coincidan correctamente. Sin embargo, en otras circunstancias, el eje del actuador es más grande. Por lo tanto, un simple manguito de reducción es suficiente para acoplarlos correctamente.

Requisitos de solicitud

Comprenda las necesidades específicas de su aplicación, incluidos caudales, niveles de presión y condiciones ambientales. Las distintas aplicaciones pueden requerir diferentes tipos de válvulas y métodos de automatización.

Tipo de válvula

Seleccione el tipo de válvula adecuado para su aplicación. Los tipos más comunes incluyen válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de globo, etc. El tipo de válvula debe estar en consonancia con las características de control deseadas y las propiedades del fluido.

Método de actuación

Elija el método de accionamiento adecuado en función de los requisitos de su aplicación. Las opciones incluyen accionamiento eléctrico, neumático, hidráulico o manual. Tenga en cuenta factores como el tiempo de respuesta, los requisitos de par y la disponibilidad de energía.

Compatibilidad del sistema de control

Garantice la compatibilidad con el sistema de control existente o previsto. La integración con sistemas de control distribuido (DCS) o controladores lógicos programables (PLC) es crucial para una comunicación y coordinación perfectas dentro de la infraestructura global de automatización industrial.

Requisitos de mantenimiento

Evalúe la facilidad de mantenimiento y la frecuencia de las inspecciones necesarias. Elija válvulas con diseños que faciliten la accesibilidad y la resolución de problemas, minimizando el tiempo de inactividad y los costes de mantenimiento.

Escalabilidad y expansión futura

Planificar las necesidades futuras y la ampliación. Asegúrese de que el sistema de válvulas automatizado puede adaptarse a los cambios en el volumen de producción o a las modificaciones del proceso industrial.

Análisis coste-beneficio

Realice un análisis exhaustivo de costes y beneficios para justificar la inversión en válvulas automatizadas. Tenga en cuenta factores como la eficiencia energética, la reducción de los costes laborales y el potencial de aumento de la productividad y la fiabilidad.

Válvulas de compuerta automatizadas

Las válvulas de compuerta automatizadas son adecuadas para aplicaciones de cierre en las que la válvula está completamente abierta o completamente cerrada. Esto se debe a la relación no lineal entre el movimiento vertical de la válvula y el caudal. El actuador debe girar el vástago varias veces para abrir o cerrar una válvula de compuerta cuando está automatizada. Por ello, el par es un factor importante a tener en cuenta cuando se automatizan válvulas de compuerta. Las válvulas de compuerta suelen mecanizarse utilizando actuadores neumáticos o eléctricos.

En el caso del accionamiento neumático, suele montarse un diafragma en el cilindro para permitir la entrada de aire a presión por uno o ambos lados. Este cilindro suele estar situado en la parte superior de la válvula. El sistema de control automatizado responde a una variable medida, como el volumen de caudal, la temperatura, la presión, etc.

Al alcanzar el umbral de la variable medida, el sistema de control permite que la presión del aire en el cilindro mueva el diafragma hacia arriba o hacia abajo. Como la membrana está conectada al vástago de la válvula, mueve el disco de la válvula para cerrarla o abrirla. Si la válvula debe abrirse o cerrarse en caso de fallo, el accionamiento debe ser en una sola dirección, con un muelle que la devuelva a su posición de seguridad en caso de pérdida de presión.

Por otro lado, los actuadores eléctricos utilizan un motor que hace girar el vástago para subir o bajar la puerta. Para mejorar el par, este motor eléctrico se conecta al vástago mediante un sistema de engranajes. Los actuadores eléctricos son más adecuados para los diseños "a prueba de fallos" y accionan las válvulas de compuerta con mayor rapidez.

Válvulas de globo automatizadas

The automation of globe valves is similar to gate valves as they are both rising stem valves and require linear force to open and close. However, the torque requirement for globe valve actuators is less as the disc’s distance is less traveled. Pneumatic, hydraulic, and electric actuators can be used in automated globe valves.

Válvulas de mariposa automatizadas

De las tres válvulas, las de mariposa son las más fáciles de automatizar porque requieren un par mínimo: el disco de la válvula pivota en el centro de la tubería con un actuador que lo hace girar. Una posición paralela a la tubería permite el flujo, y perpendicular a la tubería lo obstruye. Por ello, las válvulas de mariposa se clasifican como válvulas de "cuarto de vuelta". Son ideales para tuberías grandes con un mínimo de residuos y resultan eficaces en aplicaciones de estrangulamiento.