Un actuador de válvula es el mecanismo para abrir y cerrar una válvula . Las válvulas operadas manualmente requieren que alguien esté presente para ajustarlas usando un mecanismo directo o de engranaje conectado al vástago de la válvula. Los actuadores eléctricos, que utilizan presión de gas, presión hidráulica o electricidad, permiten ajustar una válvula de forma remota o permiten el funcionamiento rápido de válvulas grandes. Los actuadores de válvulas accionados por energía pueden ser los elementos finales de un circuito de control automático que regula automáticamente algún flujo, nivel u otro proceso. Los actuadores pueden ser sólo para abrir y cerrar la válvula, o pueden permitir un posicionamiento intermedio; Algunos actuadores de válvula incluyen interruptores u otras formas de indicar de forma remota la posición de la válvula.
Utilizados para la automatización de válvulas industriales , los actuadores se pueden encontrar en todo tipo de plantas de proceso. Se utilizan en plantas de tratamiento de aguas residuales, centrales eléctricas , refinerías , procesos mineros y nucleares, fábricas de alimentos y oleoductos. Los actuadores de válvulas desempeñan un papel importante en la automatización del control de procesos . Las válvulas a automatizar varían tanto en diseño como en dimensiones. Los diámetros de las válvulas varían desde un décimo de pulgada hasta varios pies.
Los tipos comunes de actuadores son: manuales, neumáticos, hidráulicos, eléctricos y de resorte.
Un actuador manual emplea palancas, engranajes o ruedas para mover el vástago de la válvula con una acción determinada. Los actuadores manuales se accionan manualmente. Los actuadores manuales son económicos, normalmente autónomos y fáciles de operar por parte de humanos. Sin embargo, algunas válvulas grandes son imposibles de operar manualmente y algunas válvulas pueden estar ubicadas en ambientes remotos, tóxicos u hostiles que impiden las operaciones manuales en algunas condiciones. Como característica de seguridad, ciertos tipos de situaciones pueden requerir una operación más rápida que la que pueden proporcionar los actuadores manuales para cerrar la válvula.
La presión del aire (u otro gas) es la fuente de energía para los actuadores de válvulas neumáticas. [1] Se utilizan en válvulas lineales o de cuarto de vuelta. La presión del aire actúa sobre un pistón o un diafragma de fuelle creando una fuerza lineal sobre el vástago de una válvula. Alternativamente, un actuador de paletas de un cuarto de vuelta produce torsión para proporcionar movimiento giratorio para operar una válvula de un cuarto de vuelta. Un actuador neumático puede estar dispuesto para cerrarse o abrirse mediante un resorte, con presión de aire superando el resorte para proporcionar movimiento. Un actuador de "doble acción" utiliza aire aplicado a diferentes entradas para mover la válvula en la dirección de apertura o cierre. Un sistema central de aire comprimido puede proporcionar el aire comprimido limpio, seco que necesitan los actuadores neumáticos. En algunos tipos, por ejemplo, los reguladores para gas comprimido, la presión de suministro proviene de la corriente de gas de proceso y el gas residual se ventila al aire o se vierte en tuberías de proceso de menor presión.
Los actuadores hidráulicos convierten la presión del fluido en movimiento. Al igual que los actuadores neumáticos, se utilizan en válvulas lineales o de cuarto de vuelta. La presión del fluido que actúa sobre un pistón proporciona un empuje lineal para válvulas de compuerta o de globo. Un actuador de un cuarto de vuelta produce torque para proporcionar movimiento giratorio para operar una válvula de un cuarto de vuelta. La mayoría de los tipos de actuadores hidráulicos pueden suministrarse con funciones a prueba de fallos para cerrar o abrir una válvula en circunstancias de emergencia. La presión hidráulica puede ser suministrada por una bomba de presión hidráulica autónoma. En algunas aplicaciones, como estaciones de bombeo de agua, el fluido del proceso puede proporcionar presión hidráulica, aunque los actuadores deben utilizar materiales compatibles con el fluido.
El actuador eléctrico utiliza un motor eléctrico para proporcionar torque para operar una válvula. Son silenciosos, no tóxicos y energéticamente eficientes. Sin embargo, debe haber electricidad disponible, lo que no siempre es así, también pueden funcionar con baterías.
Los actuadores basados en resortes retienen un resorte. Una vez detectada alguna anomalía, o se pierde potencia, se suelta el resorte, accionando la válvula. Sólo pueden funcionar una vez, sin reiniciarse, por lo que se utilizan para fines de un solo uso, como emergencias. Tienen la ventaja de que no requieren un suministro eléctrico potente para mover la válvula, por lo que pueden funcionar con energía restringida de la batería o automáticamente cuando se ha perdido toda la energía.
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Un actuador lineal abre y cierra válvulas que pueden operarse mediante fuerza lineal, del tipo que a veces se denomina válvula de "vástago ascendente". Estos tipos de válvulas incluyen válvulas de globo, válvulas de bola de vástago ascendente, válvulas de control y válvulas de compuerta. [2] Los dos tipos principales de actuadores lineales son los de diafragma y los de pistón.
Los actuadores de diafragma están hechos de una pieza redonda de caucho y se aprietan alrededor de sus bordes entre dos lados de un cilindro o cámara que permite que la presión del aire ingrese a ambos lados empujando la pieza de caucho en una dirección u otra. Se conecta una varilla al centro del diafragma para que se mueva cuando se aplica presión. Luego, la varilla se conecta a un vástago de válvula que permite que la válvula experimente el movimiento lineal, abriéndose o cerrándose así. Un actuador de diafragma es útil si la presión de suministro es moderada y el recorrido y el empuje de la válvula requeridos son bajos.
Los actuadores de pistón utilizan un pistón que se mueve a lo largo de un cilindro. El vástago del pistón transmite la fuerza sobre el pistón al vástago de la válvula. Los actuadores de pistón permiten presiones más altas, rangos de recorrido más largos y fuerzas de empuje más altas que los actuadores de diafragma.
Se utiliza un resorte para proporcionar un comportamiento definido en caso de pérdida de potencia. Esto es importante en incidentes relacionados con la seguridad y, a veces, es el factor determinante en las especificaciones. Un ejemplo de pérdida de potencia es cuando el compresor de aire (la principal fuente de aire comprimido que proporciona el fluido para que se mueva el actuador) se apaga. Si hay un resorte dentro del actuador, forzará la apertura o cierre de la válvula y la mantendrá en esa posición mientras se restablece la energía. A un actuador se le puede especificar "fallo de apertura" o "fallo de cierre" para describir su comportamiento. En el caso de un actuador eléctrico, la pérdida de energía mantendrá la válvula estacionaria a menos que haya una fuente de alimentación de respaldo.
Un representante típico de las válvulas a automatizar es una válvula de control de tipo tapón. Al igual que el tapón de la bañera se presiona en el desagüe, el tapón se presiona en el asiento del tapón mediante un movimiento de carrera. La presión del medio actúa sobre el obturador mientras que la unidad de empuje debe proporcionar la misma cantidad de empuje para poder sujetar y mover el obturador contra esta presión.
Como fuerza motriz se utilizan principalmente motores de CA trifásicos asíncronos robustos , para algunas aplicaciones también se utilizan motores de CA o CC monofásicos. Estos motores están especialmente adaptados para la automatización de válvulas, ya que proporcionan pares de torsión más altos desde parado que los motores convencionales comparables, un requisito necesario para desalojar válvulas pegajosas. Se espera que los actuadores funcionen en condiciones ambientales extremas; sin embargo, generalmente no se utilizan para funcionamiento continuo ya que la acumulación de calor en el motor puede ser excesiva.
Los finales de carrera avisan cuando se alcanza una posición final. La conmutación de par mide el par presente en la válvula. Cuando se supera un límite establecido, se señala de la misma forma. Los actuadores suelen estar equipados con un transmisor de posición remoto que indica la posición de la válvula como una señal continua de corriente o voltaje de 4-20 mA .
A menudo se utiliza un engranaje helicoidal para reducir la alta velocidad de salida del motor eléctrico. Esto permite una alta relación de reducción dentro de la etapa de engranaje , lo que lleva a una baja eficiencia deseada para los actuadores. Por lo tanto, el engranaje es autoblocante, es decir, evita cambios accidentales e indeseados de la posición de la válvula actuando sobre el elemento de cierre de la válvula.
El accesorio de válvula consta de dos elementos. Primero: la brida utilizada para conectar firmemente el actuador a la contraparte en el lado de la válvula. Cuanto mayor sea el par a transmitir, mayor será la brida necesaria.
Segundo: el tipo de accionamiento de salida utilizado para transmitir el par o el empuje desde el actuador al eje de la válvula. Así como hay una multitud de válvulas, también hay una multitud de accesorios para válvulas.
Las dimensiones y el diseño de la brida de montaje de la válvula y de los accesorios de la válvula están estipulados en las normas EN ISO 5210 para actuadores multivueltas o EN ISO 5211 para actuadores de fracción de vuelta. El diseño de los accesorios de válvulas para actuadores lineales se basa generalmente en DIN 3358.
En su versión básica, la mayoría de los actuadores eléctricos están equipados con un volante para operar los actuadores durante la puesta en servicio o un corte de energía. El volante no se mueve durante el funcionamiento del motor.
Los interruptores electrónicos limitadores de par no funcionan durante la operación manual. Los dispositivos mecánicos de limitación de par se utilizan comúnmente para evitar la sobrecarga de par durante la operación manual.
Tanto las señales del actuador como los comandos de operación del DCS se procesan dentro de los controles del actuador. En principio, esta tarea puede ser asumida por controles externos, p. ej. un PLC . Los actuadores modernos incluyen controles integrales que procesan señales localmente sin demora. Los controles también incluyen el cuadro necesario para controlar el motor eléctrico. Pueden tratarse de contactores inversores o de tiristores que, al ser un componente eléctrico, no están sujetos a desgaste mecánico. Los controles utilizan el cuadro para encender o apagar el motor eléctrico dependiendo de las señales o comandos presentes. Otra tarea del control del actuador es proporcionar señales de respuesta al DCS, por ejemplo al alcanzar la posición final de una válvula.
A la conexión eléctrica se conectan los cables de alimentación del motor y los cables de señal para transmitir los comandos al actuador y enviar señales de retroalimentación sobre el estado del actuador. La conexión eléctrica se puede diseñar como tapón terminal sellado por separado o como conector macho/hembra. Para fines de mantenimiento, el cableado debe desconectarse y volverse a conectar fácilmente.
La tecnología Fieldbus se utiliza cada vez más para la transmisión de datos en aplicaciones de automatización de procesos. Por lo tanto, los actuadores eléctricos pueden equiparse con todas las interfaces de bus de campo habituales que se utilizan en la automatización de procesos. Se requieren conexiones especiales para la conexión de cables de datos de bus de campo.
Después de recibir un comando de operación, el actuador mueve la válvula en dirección ABRIR o CERRAR. Al alcanzar la posición final se inicia un proceso de desconexión automática. Se pueden utilizar dos mecanismos de desconexión fundamentalmente diferentes. El control desconecta el actuador en cuanto se alcanza el punto de disparo ajustado. Esto se llama asientos limitados. Sin embargo, hay tipos de válvulas en las que el elemento de cierre debe moverse hasta la posición final con una fuerza o un par definidos para que la válvula cierre herméticamente. Esto se llama asiento de torsión. Los controles están programados para garantizar que el actuador se apague cuando se exceda el límite de par establecido. La posición final se señaliza mediante un final de carrera.
La conmutación de par no sólo se utiliza para estabilizar el par en la posición final, sino que también sirve como protección contra sobrecargas durante todo el recorrido y protege la válvula contra un par excesivo. Si en una posición intermedia actúa un par excesivo sobre el elemento de cierre, p. ej. debido a un objeto atrapado, el interruptor de par se activa al alcanzar el par de desconexión ajustado. En esta situación, el final de carrera no señala la posición final. Por lo tanto, el control puede distinguir entre la intervención del interruptor de par en funcionamiento normal en una de las posiciones finales y la desconexión en una posición intermedia debido a un par excesivo.
Se necesitan sensores de temperatura para proteger el motor contra el sobrecalentamiento. Para algunas aplicaciones de otros fabricantes, también se controla el aumento de la corriente del motor. Los interruptores térmicos o termistores PTC integrados en el devanado del motor cumplen esta tarea de forma fiable en la mayoría de los casos. Se disparan cuando se supera el límite de temperatura y los mandos apagan el motor.
Debido a la creciente descentralización en la tecnología de automatización y la introducción de microprocesadores, cada vez se han transferido más funciones del DCS a los dispositivos de campo. En consecuencia, se redujo el volumen de datos a transmitir, en particular mediante la introducción de la tecnología de bus de campo. Este desarrollo también afecta a los actuadores eléctricos, cuyas funciones se han ampliado considerablemente. El ejemplo más sencillo es el control de posición. Los posicionadores modernos están equipados con autoadaptación, es decir, el comportamiento de posicionamiento se supervisa y se optimiza continuamente mediante parámetros del controlador.
Mientras tanto, los actuadores eléctricos están equipados con controladores de proceso completos (controladores PID). Especialmente en instalaciones remotas, como por ejemplo la regulación del caudal en un depósito elevado, el actuador puede asumir las tareas de un PLC que, de otro modo, tendría que instalarse adicionalmente.
Los actuadores modernos tienen amplias funciones de diagnóstico que pueden ayudar a identificar la causa de una falla. También registran los datos operativos. El estudio de los datos registrados permite optimizar el funcionamiento cambiando los parámetros y reducir el desgaste tanto del actuador como de la válvula.
Si se utiliza una válvula como válvula de cierre, estará abierta o cerrada y no se mantendrán las posiciones intermedias...
Se adoptan posiciones intermedias definidas para establecer un flujo estático a través de una tubería. Se aplican los mismos límites de tiempo de funcionamiento que en el servicio de apertura y cierre.
La característica más distintiva de una aplicación de circuito cerrado es que las condiciones cambiantes requieren ajustes frecuentes del actuador, por ejemplo, para establecer un determinado caudal. Las aplicaciones sensibles de circuito cerrado requieren ajustes en intervalos de unos pocos segundos. Las exigencias sobre el actuador son mayores que en las tareas de apertura y cierre o de posicionamiento. El diseño del actuador debe ser capaz de soportar un gran número de arranques sin que se deteriore la precisión del control.
Los actuadores se especifican para la vida útil y confiabilidad deseadas para un conjunto determinado de condiciones de servicio de aplicación. Además de la carga estática y dinámica y el tiempo de respuesta requeridos para la válvula, el actuador debe soportar el rango de temperatura, el entorno de corrosión y otras condiciones de una aplicación específica. Las aplicaciones de actuadores de válvulas suelen estar relacionadas con la seguridad, por lo que los operadores de la planta exigen mucho a la fiabilidad de los dispositivos. La falla de un actuador puede causar accidentes en plantas controladas por procesos y pueden filtrarse sustancias tóxicas al medio ambiente.
Las instalaciones de control de procesos suelen funcionar durante varias décadas, lo que justifica las mayores exigencias en cuanto a la vida útil de los dispositivos.
Por este motivo, los actuadores siempre se diseñan con una carcasa de alta protección. Los fabricantes dedican mucho trabajo y conocimientos a la protección contra la corrosión .
Los tipos de protección de la carcasa se definen según los códigos IP de EN 60529. Las versiones básicas de la mayoría de los actuadores eléctricos están diseñadas con la segunda protección más alta de la carcasa, IP 67. Esto significa que están protegidos contra la entrada de polvo y agua durante la inmersión (30 min. a una altura máxima de agua de 1 m). La mayoría de los fabricantes de actuadores también suministran dispositivos con protección de carcasa IP 68, que proporciona protección contra inmersión hasta un máximo. altura de agua de 6 m.
En Siberia pueden alcanzar temperaturas de hasta -60 °C y en instalaciones técnicas se pueden superar los +100 °C. Usar el lubricante adecuado es crucial para un funcionamiento completo en estas condiciones. Las grasas que pueden usarse a temperatura ambiente pueden volverse demasiado sólidas a bajas temperaturas para que el actuador supere la resistencia dentro del dispositivo. A altas temperaturas, estas grasas pueden licuarse y perder su poder lubricante. A la hora de dimensionar el actuador, la temperatura ambiente y la selección del lubricante correcto son de gran importancia.
Los actuadores se utilizan en aplicaciones donde pueden ocurrir atmósferas potencialmente explosivas. Esto incluye, entre otros, refinerías, oleoductos , exploración de petróleo y gas o incluso minería . Cuando se produce una mezcla de gas y aire o una mezcla de gas y polvo potencialmente explosiva, el actuador no debe actuar como fuente de ignición. Deben evitarse las superficies calientes en el actuador, así como las chispas de encendido generadas por el actuador. Esto se puede lograr mediante un recinto a prueba de llamas , donde la carcasa está diseñada para evitar que salgan chispas de ignición incluso si hay una explosión en el interior.
Los actuadores diseñados para estas aplicaciones, al ser dispositivos a prueba de explosiones, deben ser cualificados por una autoridad de pruebas (organismo notificado). La protección contra explosiones no está estandarizada en todo el mundo. Dentro de la Unión Europea se aplica la ATEX 94/9/EC, en EE.UU. la NEC (aprobación por FM ) o la CEC en Canadá (aprobación por la CSA ). Los actuadores antideflagrantes deben cumplir los requisitos de diseño de estas directivas y reglamentos.
Los actuadores eléctricos pequeños se pueden utilizar en una amplia variedad de aplicaciones de montaje , embalaje y prueba . Dichos actuadores pueden ser lineales , giratorios o una combinación de ambos, y pueden combinarse para realizar trabajos en tres dimensiones. Estos actuadores se utilizan a menudo para sustituir los cilindros neumáticos . [4]
