Principios técnicos de las válvulas

Las válvulas solenoides se utilizan en cualquier lugar donde sea necesario controlar automáticamente el flujo de fluidos. Se utilizan cada vez más en los más diversos tipos de plantas y equipos. La variedad de diseños disponibles permite seleccionar la válvula que mejor se adapta a la aplicación en cuestión.

GENERAL

Las válvulas solenoides se utilizan en todos los casos en los que es necesario controlar automáticamente el flujo de fluidos. Se utilizan cada vez más en los más diversos tipos de instalaciones y equipos. La variedad de diseños disponibles permite seleccionar la válvula que mejor se adapta a la aplicación en cuestión.

CONSTRUCCIÓN

Las válvulas solenoides son unidades de control que, cuando se activan o desactivan eléctricamente, cierran o permiten el flujo de fluidos. El actuador tiene la forma de un electroimán. Cuando se activa, se crea un campo magnético que empuja un émbolo o una armadura pivotante contra la acción de un resorte. Cuando se desactiva, el émbolo o la armadura pivotante vuelve a su posición original por la acción del resorte.

FUNCIONAMIENTO DE LA VÁLVULA

Según el modo de accionamiento, se distingue entre válvulas de acción directa, válvulas pilotadas internamente y válvulas pilotadas externamente. Otra característica distintiva es el número de conexiones de puerto o el número de vías de flujo («vías»).

VÁLVULAS DE ACCIÓN DIRECTA

En una válvula solenoide de acción directa, la junta del asiento está fijada al núcleo del solenoide. En estado desenergizado, el orificio del asiento está cerrado, pero se abre cuando la válvula se energiza.

VÁLVULAS DE 2 VÍAS DE ACCIONAMIENTO DIRECTO

Las válvulas de dos vías son válvulas de cierre con un puerto de entrada y un puerto de salida (Fig. 1). En estado desenergizado, el resorte del núcleo, asistido por la presión del fluido, mantiene el sello de la válvula en el asiento de la válvula para cerrar el flujo. Al ser energizada, el núcleo y el sello son atraídos hacia la bobina del solenoide y la válvula se abre. La fuerza electromagnética es mayor que la fuerza combinada del resorte y las fuerzas de presión estática y dinámica del medio.

figura 1

VÁLVULAS DE 3 VÍAS DE ACCIÓN DIRECTA

Las válvulas de tres vías tienen tres conexiones de puerto y dos asientos de válvula. Una junta de válvula permanece siempre abierta y la otra cerrada en el modo desenergizado. Cuando se energiza la bobina, el modo se invierte. La válvula de 3 vías que se muestra en la figura 2 está diseñada con un núcleo de tipo émbolo. Se pueden obtener diversos funcionamientos de válvula según cómo se conecte el medio fluido a los puertos de trabajo de la figura 2. La presión del fluido se acumula bajo el asiento de la válvula. Con la bobina desenergizada, un resorte cónico mantiene el sello inferior del núcleo firmemente contra el asiento de la válvula y cierra el flujo de fluido. El puerto A se vacía a través de R. Al energizarse la bobina, el núcleo se retrae y el asiento de la válvula en el puerto R se sella mediante el sello superior del núcleo accionado por resorte. El medio fluido fluye ahora de P a A.

figura 2 A diferencia de las versiones con núcleos de tipo émbolo, las válvulas de armadura pivotante tienen todas las conexiones de puerto en el cuerpo de la válvula. Un diafragma aislante garantiza que el medio fluido no entre en contacto con la cámara de la bobina. Las válvulas de armadura pivotante se pueden utilizar para obtener cualquier funcionamiento de válvula de 3 vías. El principio básico de diseño se muestra en la figura 3. Las válvulas de armadura pivotante están provistas de un accionamiento manual como característica estándar.

figura 3

VÁLVULAS SOLENOIDES DE PILOTO INTERNO

Con las válvulas de acción directa, las fuerzas de presión estática aumentan al aumentar el diámetro del orificio, lo que significa que las fuerzas magnéticas requeridas para superar las fuerzas de presión se hacen correspondientemente mayores. Por lo tanto, las válvulas solenoides pilotadas internamente se emplean para conmutar presiones más altas en combinación con orificios de mayor tamaño; en este caso, la presión diferencial del fluido realiza el trabajo principal de apertura y cierre de la válvula.

VÁLVULAS DE 2 VÍAS PILOTADAS INTERIORMENTE

Las válvulas solenoides pilotadas internamente están equipadas con una válvula solenoide piloto de 2 o 3 vías. Un diafragma o un pistón proporciona el sellado para el asiento de la válvula principal. El funcionamiento de dicha válvula se indica en la Fig. 4. Al cerrar la válvula piloto, la presión del fluido se acumula a ambos lados del diafragma a través de un orificio de purga. Mientras exista una diferencia de presión entre los puertos de entrada y salida, es disponible una fuerza de cierre gracias a la mayor superficie efectiva en la parte superior del diafragma. Al abrir la válvula piloto, se libera la presión de la parte superior del diafragma. La mayor fuerza de presión neta efectiva desde abajo eleva ahora el diafragma y abre la válvula. En general, las válvulas pilotadas internamente requieren una diferencia de presión mínima para garantizar una apertura y un cierre satisfactorios. Omega también ofrece válvulas pilotadas internamente, diseñadas con un núcleo y un diafragma acoplados que funcionan con una diferencia de presión cero (fig. 5).

figura 4

VÁLVULAS SOLENOIDES MULTIVÍA DE PILOTO INTERNO

Las válvulas solenoides de 4 vías con piloto interno se utilizan principalmente en aplicaciones hidráulicas y neumáticas para accionar cilindros de doble efecto. Estas válvulas tienen cuatro conexiones de puerto: una entrada de presión P, dos conexiones de puerto de cilindro A y B, y una conexión de puerto de escape R. En la figura 6 se muestra una válvula de asiento de 4/2 vías pilotada internamente. Al desactivarse, la válvula piloto se abre en la conexión entre la entrada de presión y el canal piloto. Ambos asientos de la válvula principal se presurizan y se conmutan. Ahora la conexión de puerto P está conectada a A, y B puede purgarse a través de un segundo restrictor a través de R.

figura 5

VÁLVULAS DE PILOTO EXTERNO

En estos tipos se utiliza un medio piloto independiente para accionar la válvula. La figura 7 muestra una válvula de asiento angular accionada por pistón con resorte de cierre. En condiciones sin presión, el asiento de la válvula está cerrado. Una válvula solenoide de 3 vías, que se puede montar en el actuador, controla el medio piloto independiente. Al activarse la válvula solenoide, el pistón se eleva contra la acción del resorte y la válvula se abre. Se puede obtener una versión de válvula normalmente abierta si el resorte se coloca en el lado opuesto del pistón del actuador. En estos casos, el medio piloto independiente se conecta a la parte superior del actuador. Las versiones de doble efecto controladas por válvulas de 4/2 vías no contienen ningún resorte.

figura 6

MATERIALES

Todos los materiales utilizados en la fabricación de las válvulas se seleccionan cuidadosamente en función de los distintos tipos de aplicaciones. El material del cuerpo, el material de la junta y el material del solenoide se eligen para optimizar la fiabilidad funcional, la compatibilidad con los fluidos, la vida útil y el coste.

MATERIALES DEL CUERPO

Los cuerpos de las válvulas para fluidos neutros están fabricados en latón y bronce. Para fluidos con altas temperaturas, como el vapor, el acero resistente a la corrosión es disponible. Además, por motivos económicos, se utiliza poliamida en diversas válvulas de plástico.

MATERIALES DEL SOLENOIDE

Todas las piezas del actuador solenoide que entran en contacto con los fluidos están fabricadas en acero austenítico resistente a la corrosión. De este modo, se garantiza la resistencia al ataque corrosivo de medios neutros o ligeramente agresivos.

MATERIALES DE SELLADO

Los parámetros mecánicos, térmicos y químicos particulares de una aplicación influyen en la selección del material de sellado. El material estándar para fluidos neutros a temperaturas de hasta 194 °F es normalmente FKM. Para temperaturas más altas se emplean EPDM y PTFE. El material PTFE es universalmente resistente a prácticamente todos los fluidos de interés técnico.

PRESIONES NOMINALES - RANGO DE PRESIÓN

Todas las cifras de presión citadas en esta sección representan presiones manométricas. Las presiones nominales se expresan en PSI. Las válvulas funcionan de forma fiable dentro de los rangos de presión indicados. Nuestras cifras se aplican para un rango de subvoltaje del 15 % a un sobrevoltaje del 10 %. Si se utilizan válvulas de 3/2 vías en un funcionamiento diferente, el rango de presión permitido cambia. En nuestras hojas de datos se incluyen más detalles.

En el caso de funcionamiento al vacío, se debe tener cuidado de garantizar que el vacío se encuentre en el lado de salida (A o B), mientras que la presión más alta, es decir, la presión atmosférica, se conecte al puerto de entrada P.

VALORES DE CAUDAL

El caudal que atraviesa una válvula viene determinado por la naturaleza del diseño y por el tipo de flujo. El tamaño de la válvula necesaria para una aplicación concreta se establece generalmente mediante el índice Cv. Esta cifra se calcula para unidades y condiciones estandarizadas, es decir, caudal en GPM y utilizando agua a una temperatura de entre 40 °F y 86 °F con una caída de presión de 1 PSI. Se indican los índices Cv de cada válvula. También se utiliza un sistema estandarizado de valores de caudal para la neumática. En este caso, el caudal de aire en SCFM aguas arriba y una caída de presión de 15 PSI a una temperatura de 68 °F.

ACTUADOR SOLENOIDE

Una característica común de todas las válvulas solenoides Omega es el sistema solenoide encapsulado en epoxi. Con este sistema, todo el circuito magnético (bobina, conexiones, yugo y tubo guía del núcleo) se incorpora en una unidad compacta. Esto da como resultado una alta fuerza magnética contenida en un espacio mínimo, lo que garantiza un aislamiento eléctrico de primera clase y protección contra las vibraciones, así como contra los efectos corrosivos externos.

BOBINAS

Las bobinas Omega están disponibles en todos los voltajes de CA y CC de uso común. El bajo consumo de energía, en particular con los sistemas solenoides más pequeños, permite el control a través de circuitos de estado sólido.

figura 7 La fuerza magnética disponible aumenta a medida que disminuye el espacio de aire entre el núcleo y la tuerca del enchufe, independientemente de si se trata de CA o CC. Un sistema de solenoide de CA tiene una mayor fuerza magnética disponible a una carrera mayor que un sistema de solenoide de CC comparable. Los gráficos característicos de carrera frente a fuerza, indicados en la figura 8, ilustran esta relación.

El consumo de corriente de un solenoide de CA viene determinado por la inductancia. A medida que aumenta la carrera, la resistencia inductiva disminuye y provoca un aumento del consumo de corriente. Esto significa que, en el instante de la desenergización, la corriente alcanza su valor máximo. La situación opuesta se aplica a un solenoide de CC, en el que el consumo de corriente es solo una función de la resistencia de los devanados. En la figura 9 se muestra una comparación temporal de las características de energización de los solenoides de CA y CC. En el momento de la energización, es decir, cuando el entrehierro está en su máximo, las válvulas solenoides consumen corrientes mucho más altas que cuando el núcleo está completamente retraído, es decir, cuando el entrehierro está cerrado. Esto da como resultado una alta salida y un mayor rango de presión. En los sistemas de CC, después de conectar la corriente, el flujo aumenta relativamente lento hasta alcanzar una corriente de mantenimiento constante. Por lo tanto, estas válvulas solo pueden controlar presiones más bajas que las válvulas de CA con los mismos tamaños de orificio. Solo se pueden obtener presiones más altas reduciendo el tamaño del orificio y, por lo tanto, la capacidad de flujo.

EFECTOS TÉRMICOS

Siempre se genera una cierta cantidad de calor cuando se activa una bobina solenoide. La versión estándar de las válvulas solenoides tiene aumentos de temperatura relativamente bajos. Están diseñadas para alcanzar una temperatura máxima de 144 °F en condiciones de funcionamiento continuo (100 %) y con un 10 % de sobretensión. Además, por lo general se permite una temperatura ambiente máxima de 130 °F. Las temperaturas máximas admisibles del fluido dependen de los materiales específicos del sello y del cuerpo. Estas cifras se pueden obtener en los datos técnicos.

DEFINICIONES DE TIEMPO (VDE0580) TIEMPOS DE RESPUESTA

Los pequeños volúmenes y las fuerzas magnéticas relativamente altas que intervienen en las válvulas solenoides permiten obtener tiempos de respuesta rápidos. Hay disponibles válvulas con distintos tiempos de respuesta para aplicaciones especiales. El tiempo de respuesta se define como el tiempo transcurrido entre la aplicación de la señal de conmutación y la finalización de la apertura o el cierre mecánico.

PERÍODO DE ACTIVACIÓN

El periodo de encendido se define como el tiempo transcurrido entre el encendido y el apagado de la corriente del solenoide.

PERÍODO DE CICLO

El tiempo total de los periodos de activación y desactivación es el periodo de ciclo. Periodo de ciclo preferido: 2, 5, 10 o 30 minutos.

CICLO DE FUNCIONAMIENTO RELATIVO

El ciclo de funcionamiento relativo (%) es la relación porcentual entre el periodo energizado y el periodo de ciclo total. El funcionamiento continuo (ciclo de trabajo del 100 %) se define como el funcionamiento continuo hasta que se alcanza la temperatura de estado estable.

FUNCIONAMIENTO DE LA VÁLVULA

La codificación para el funcionamiento de la válvula siempre consiste en una letra mayúscula. El resumen de la izquierda detalla los códigos de los distintos funcionamientos de la válvula e indica los símbolos de circuito estándar apropiados

VISCOSIDAD

Los datos técnicos son válidos para viscosidades hasta la cifra indicada. Se permiten viscosidades más altas, pero en estos casos el rango de tolerancia de tensión se reduce y los tiempos de respuesta se prolongan.

RANGO DE TEMPERATURA

Siempre se detallan los límites de temperatura para el medio fluido. Sin embargo, diversos factores, como las condiciones ambientales, los ciclos, la velocidad, la tolerancia de tensión, los detalles de instalación, etc., pueden influir en el rendimiento térmico. Por lo tanto, los valores aquí indicados deben utilizarse únicamente como guía general. En los casos en que se trabaje en condiciones extremas del rango de temperatura, se debe consultar al departamento de ingeniería de Omega.

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