Cómo calcular los requisitos de par del actuador de válvula
Seleccionar el actuador adecuado para una válvula industrial no es simplemente una cuestión de hacer coincidir el tamaño del actuador con el tamaño de la válvula. Para válvulas de cuarto de vuelta como las de bola y las de mariposa,el par es uno de los factores clave que se utilizan para determinar si un actuador puede operar la válvula de manera confiable.
Si el par del actuador es demasiado bajo, la válvula puede no abrirse, cerrarse o alcanzar la posición requerida. Si el actuador está significativamente sobredimensionado, el equipo puede costar más de lo necesario y crear un estrés mecánico innecesario.
Esta guía explica los principales factores utilizados para calcular los requisitos de par del actuador de válvula y cómo seleccionar un actuador adecuado para una válvula industrial.
1. ¿Qué es el par del actuador de válvula?
El par es la fuerza rotacional requerida para girar una válvula de una posición a otra.
Para válvulas de cuarto de vuelta, el actuador normalmente gira el vástago de la válvula aproximadamente 90 grados.
El par requerido puede variar durante el ciclo de operación de la válvula. Por ejemplo, una válvula de mariposa puede requerir un par diferente al inicio de la apertura, durante la rotación y cerca de la posición completamente cerrada.
Por esta razón, la selección del actuador no debe basarse únicamente en un valor de par.
Los principales factores incluyen:
- Tipo de válvula
- Tamaño de la válvula
- Presión de operación
- Características del fluido
- Diseño del asiento
- Fricción del vástago
- Temperatura de operación
- Margen de seguridad requerido
2. Cálculo básico del par de la válvula
Se puede expresar una relación simplificada como:
Par del actuador requerido = Par de operación de la válvula × Factor de seguridad
Por ejemplo, si una válvula requiere 100 Nm de par de operación y el factor de seguridad seleccionado es 1.25:
100 Nm × 1.25 = 125 Nm
Por lo tanto, el actuador debe proporcionar al menos 125 Nm en las condiciones de operación requeridas.
Sin embargo, este es solo un cálculo simplificado. El dimensionamiento real del actuador debe utilizar los datos de par del fabricante y el par de operación recomendado por el fabricante de la válvula.
3. Identificar el tipo de válvula
El primer paso es identificar el tipo de válvula que se está actuando.
Los diferentes diseños de válvulas tienen diferentes requisitos de par.
Válvulas de bola
Las válvulas de bola generalmente requieren par para superar:
- Fricción del asiento
- Fricción del vástago
- Presión diferencial
- Fricción del empaque
El diseño del asiento puede tener un efecto significativo en el par requerido.
Válvulas de mariposa
El par de la válvula de mariposa puede depender de:
- Posición del disco
- Material del asiento
- Presión diferencial
- Velocidad del fluido
- Fricción del eje y los cojinetes
Los requisitos de par pueden cambiar considerablemente a lo largo de la carrera de la válvula.
Válvulas de tapón
Las válvulas de tapón pueden requerir un par relativamente alto debido a la fricción entre el tapón y el cuerpo de la válvula.
Normalmente, el fabricante de la válvula debe proporcionar datos de par para la selección del actuador.
4. Verificar la presión de operación
La presión diferencial es otro factor importante.
Cuando la presión actúa sobre la válvula, puede aumentar la fuerza que resiste el movimiento de la válvula.
Para algunos diseños de válvulas, el efecto de la presión diferencial sobre el par puede ser significativo, especialmente a presiones más altas.
Por lo tanto, recopile:
- Presión diferencial máxima
- Presión de operación normal
- Presión mínima de operación
- Presión aguas arriba
- Presión aguas abajo
No dimensione un actuador solo según la presión de operación normal si la válvula puede experimentar una presión diferencial mayor durante la operación.
5. Considerar la fricción del asiento y del empaque de la válvula
La fricción es uno de los principales contribuyentes al par de operación de la válvula.
El material y el diseño del asiento pueden cambiar significativamente el requisito de par.
Por ejemplo, las válvulas con asiento blando y asiento metálico pueden tener diferentes características de operación.
La fricción del empaque alrededor del vástago de la válvula también puede contribuir al par total requerido.
Por esta razón, dos válvulas del mismo tamaño y clasificación de presión pueden requerir un par de actuador diferente.
6. Determinar el par de arranque, de funcionamiento y de asiento
Para muchas válvulas de cuarto de vuelta, es útil considerar diferentes puntos de par en lugar de usar un solo número.
Par de arranque
Este es el par requerido para comenzar a mover la válvula desde la posición completamente cerrada o completamente abierta.
El par de arranque puede ser relativamente alto debido a la fricción estática y la carga del asiento.
Par de funcionamiento
El par de funcionamiento es el par requerido mientras la válvula se mueve a través de su rango de operación.
Par de asiento
El par de asiento es el par requerido para mover la válvula a la posición final cerrada y lograr el cierre requerido.
Para el dimensionamiento del actuador, se debe considerar el requisito de par más alto relevante.
7. Agregar un factor de seguridad apropiado
Un factor de seguridad proporciona capacidad adicional del actuador por encima del par de la válvula calculado o especificado.
Por ejemplo:
Par de la válvula = 200 Nm
Factor de seguridad = 25%
Par del actuador requerido = 200 × 1.25 = 250 Nm
El factor de seguridad real no debe elegirse arbitrariamente.
Depende de:
- Diseño de la válvula
- Recomendaciones del fabricante
- Condiciones de operación
- Tipo de actuador
- Criticidad del servicio
- Tamaños de actuador disponibles
Los márgenes de seguridad excesivos pueden resultar en un sobredimensionamiento innecesario del actuador, mientras que un margen insuficiente puede causar una operación poco confiable de la válvula.
8. Par del actuador neumático vs. eléctrico
El método utilizado para evaluar la capacidad del actuador también depende del tipo de actuador.
Actuador neumático
Para un actuador neumático, el par de salida se ve afectado por:
- Presión de suministro de aire
- Tamaño del actuador
- Diseño del pistón o diafragma
- Configuración del resorte
- Fricción
- Posición de operación
Para un actuador con retorno por resorte, el par disponible puede diferir entre las direcciones de apertura y cierre.
Por lo tanto, se debe verificar la tabla de par del actuador a la presión de suministro de aire real.
Actuador eléctrico
Para un actuador eléctrico, los factores importantes incluyen:
- Par de salida nominal
- Par de arranque
- Par de funcionamiento
- Par de asiento
- Velocidad de operación
- Ciclo de trabajo
- Fuente de alimentación
El actuador debe proporcionar suficiente par durante todo el ciclo de operación requerido.
9. Ejemplo de un cálculo de par simple
Supongamos que una válvula de cuarto de vuelta tiene un par de operación máximo especificado por el fabricante de:
150 Nm
Suponga que se requiere un margen de dimensionamiento del 20%.
El cálculo es:
150 Nm × 1.20 = 180 Nm
Por lo tanto, el actuador seleccionado debe proporcionar al menos 180 Nm en la condición de operación relevante.
Si el actuador es neumático, este valor debe verificarse con el par de salida real del actuador a la presión de aire disponible.
Si el actuador es eléctrico, el par nominal y las características de operación deben verificarse con el requisito de la válvula.
Este ejemplo está destinado a explicar el método de cálculo. La selección real del actuador debe utilizar los datos técnicos del fabricante de la válvula y del actuador.
10. Errores comunes en el dimensionamiento de actuadores
Varios errores pueden llevar a una selección incorrecta del actuador.
Usar solo el tamaño de la válvula
Una válvula más grande no requiere automáticamente un actuador proporcionalmente más grande.
El par depende del diseño de la válvula, la presión, la construcción del asiento y las condiciones de operación.
Ignorar la presión diferencial máxima
El dimensionamiento basado solo en la presión normal puede resultar en una capacidad de actuador insuficiente durante condiciones de alta presión.
Usar solo un valor de par
El par de arranque, de funcionamiento y de asiento pueden ser diferentes.
Sobredimensionar el actuador
Un actuador sobredimensionado puede aumentar el costo y puede imponer cargas innecesarias al vástago de la válvula y a los componentes mecánicos.
Ignorar la presión de suministro de aire
Para actuadores neumáticos, la presión de aire disponible afecta directamente la salida del actuador.
No verificar la tabla de par del fabricante
Los datos de par del fabricante de la válvula deben tratarse como una referencia importante para la selección del actuador.
11. Información necesaria para la selección del actuador
Al solicitar una cotización de actuador, proporcione la mayor cantidad de la siguiente información posible:
- Fabricante de la válvula
- Modelo de la válvula
- Tipo de válvula
- Tamaño de la válvula
- Clasificación de presión
- Presión de operación
- Presión diferencial máxima
- Temperatura de operación
- Fluido / medio
- Cierre requerido
- Datos de par de la válvula
- Requisito de apertura forzada o cierre forzado
- Actuador neumático o eléctrico
- Presión de suministro de aire
- Fuente de alimentación
- Señal de control
- Velocidad de operación
Proporcionar esta información permite al proveedor verificar la combinación de actuador y válvula en lugar de seleccionar un actuador basándose únicamente en el tamaño nominal de la válvula.
12. Selección final
Calcular el par del actuador de la válvula comienza por determinar el par real requerido por la válvula en sus condiciones de operación.
El enfoque básico es:
1. Identificar el tipo de válvula
2. Obtener los datos de par del fabricante
3. Verificar la presión diferencial máxima
4. Considerar el par de arranque, de funcionamiento y de asiento
5. Aplicar un margen de seguridad apropiado
6. Comparar el requisito con el par de salida del actuador
7. Verificar la configuración completa de la válvula y el actuador
Para aplicaciones industriales, la selección del actuador debe considerar la condición de operación completa en lugar de depender de una simple tabla de tamaño de válvula a tamaño de actuador.
Podemos suministrar actuadores neumáticos y eléctricos para válvulas de control y proceso industriales, incluidas soluciones de Rotork, AUMA, Limitorque, SIPOS y otros fabricantes.
Si no está seguro del tamaño del actuador requerido, proporcione el modelo de la válvula, el tamaño, la presión, el medio, las condiciones de operación y el suministro de aire o energía disponible. Podemos ayudar a verificar el par requerido y la configuración del actuador.
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