Cómo aplanar la curva de caudal de un regulador para reducir la caída

Cómo aplanar la curva de flujo de un regulador para reducir la caída

Jon Kestner

El control constante de la presión es esencial para el funcionamiento seguro de los sistemas de fluidos industriales. Mantener una presión aguas abajo confiable con un regulador puede ayudar a minimizar los cambios en la tasa de flujo, especialmente en un sistema de alto flujo. Sin embargo, para mantener el control de la presión y minimizar la caída, los componentes externos pueden ser adiciones necesarias a su sistema de fluidos.

¿Qué es la caída?

La caída se define como una disminución en la presión de salida a medida que aumenta el flujo aguas abajo. El gráfico que se muestra arriba (Figura 1) es un ejemplo de una curva de flujo. Una curva de flujo es una herramienta útil que se utiliza para establecer el rango de presiones de salida que mantendrá un regulador en función de varias tasas de flujo del sistema. Las curvas de flujo se crean a través de pruebas de productos y representan el rendimiento real de un regulador para un conjunto determinado de parámetros del sistema.

El eje vertical muestra la presión de salida y el eje horizontal muestra el caudal aguas abajo. La parte más plana, o más horizontal, de la curva indica dónde un regulador mantendrá una presión constante, incluso con cambios sustanciales en el flujo. El extremo derecho de la curva indica dónde el regulador estará completamente abierto y no podrá mantener una presión constante. Dentro de esta área, desde donde la presión comienza a disminuir rápidamente hasta donde se aproxima a cero, la válvula está llegando al límite de su recorrido, lo que provoca una pérdida de control. En este punto, el regulador actúa menos como un dispositivo de control de presión y más como un orificio de restricción.

Si bien todos los reguladores reductores de presión exhibirán cierta caída, puede tomar medidas para minimizar este fenómeno. Se pueden lograr curvas de flujo más planas eligiendo la configuración de regulador adecuada para su sistema. A continuación se explican cuatro opciones diferentes para reducir la caída.

Opción A:un regulador simple accionado por resorte

El tipo más común de regulador reductor de presión es un regulador accionado por resorte. En este diseño, un resorte aplica fuerza sobre un elemento sensor, ya sea un diafragma o un pistón, que acerca o aleja el obturador del orificio, controlando la presión aguas abajo. Usaremos el regulador cargado por resorte como nuestra línea de base.

Un regulador reductor de presión accionado por resorte ofrece un rendimiento aceptable para aplicaciones generales cuando se trata de reducir la caída. En esta configuración, a medida que aumenta la demanda de flujo del sistema, el asiento del regulador se aleja del asiento para permitir un flujo adicional que, a su vez, permite que el resorte de carga se relaje, lo que reduce la fuerza de carga y el punto de ajuste del regulador. A medida que cambian las demandas de flujo, la cantidad de caída depende de la velocidad del resorte de carga y, en algunos casos, puede requerir ajustes manuales frecuentes para regresar a la presión establecida deseada si se requiere un alto grado de precisión.

Una opción más efectiva para mejorar la caída y aplanar las curvas de flujo es un regulador reductor de presión con cúpula. La fuerza de carga dentro de este tipo de regulador no está controlada por un resorte, sino por gas presurizado alojado en una cámara de cúpula. El gas flexiona un diafragma, que aleja el obturador del orificio y controla la presión aguas abajo. Las opciones restantes a continuación explorarán cómo los reguladores de cúpula, cuando se combinan con varios componentes y modificaciones de diseño, pueden ofrecer un rendimiento mejorado al minimizar la caída.

Opción B:regulador de cúpula con regulador piloto

La opción B acopla un regulador reductor de presión cargado en cúpula con un regulador piloto. En esta configuración, el regulador cargado en el domo responde a los cambios de presión manteniendo una presión constante en la cámara del domo. El regulador piloto se usa para controlar el suministro de gas a la cámara del domo del regulador cargado en el domo. Como se muestra arriba en la Figura 2, cualquier exceso de presión en el domo se alivia a través de un circuito de salida.

A medida que aumenta la demanda de flujo del sistema, la válvula se alejará del asiento para permitir el flujo adicional. Sin embargo, a diferencia de un regulador cargado por resorte, no hay un resorte de carga que pueda relajarse. En cambio, el diafragma se flexiona hacia abajo, expandiendo la cámara del domo y reduciendo ligeramente la presión del domo. El regulador piloto detecta la caída en la presión del domo y responde abriéndose para permitir el ingreso de gas adicional al domo y manteniendo la presión establecida prevista. Si la demanda de flujo del sistema aguas abajo disminuye, el asiento se elevará más cerca del asiento, empujando el diafragma hacia arriba en el domo y aumentando ligeramente la presión en el domo. Se permite que este exceso de presión se ventile hacia el lado aguas abajo del regulador a través del circuito de salida de control dinámico.

Figura 2:La configuración de la Opción B presenta un regulador domo cargado con un regulador piloto y un bucle de salida de control dinámico para controlar la presión del domo.

Si volvemos a la Figura 1, esta configuración se representa como la curva de flujo titulada "Opción B". En comparación con la opción A, la curva de referencia del regulador accionado por resorte, el regulador accionado por domo y la configuración del regulador piloto ofrecen un control de presión más dinámico. Si bien todavía hay cierta caída, la curva de flujo es más plana, lo que representa un regulador que puede mantener con mayor precisión una presión establecida en una amplia gama de flujos. Los reguladores de cúpula estándar se pueden usar en muchos sistemas sin preocuparse por caídas de presión de salida significativas. Sin embargo, la caída se puede reducir aún más utilizando otras configuraciones que se explican a continuación.

Opción C:línea de retroalimentación externa conectada a un regulador domo cargado

Se puede lograr una precisión adicional agregando retroalimentación externa a un regulador de cúpula. La retroalimentación externa se envía al regulador mediante la conexión de un tubo desde la línea de proceso aguas abajo al área de detección del regulador cargado en el domo.

La línea de retroalimentación externa dirige la presión desde un punto en el sistema aguas abajo del regulador al área de detección de los reguladores. Esto permite que el regulador reaccione a los cambios en la presión en ese punto del sistema en lugar de solo a los cambios en la presión dentro del regulador, como es el caso de los diseños estándar de reguladores de cúpula.

Si nos remitimos a la Figura 1, la Opción C se representa como la tercera curva de flujo. El caudal operativo se expande antes de llegar al punto crítico de estrangulamiento. Si bien esta curva de flujo es más plana que las dos opciones anteriores, aún muestra cierta caída.

Opción D:línea de retroalimentación externa conectada a un regulador piloto

Nuestra opción final presenta la mejor configuración para aplanar la curva de flujo. Como se muestra arriba en la Figura 4, la línea de retroalimentación externa está directamente conectada al regulador piloto en lugar del regulador de cúpula. Esto permite que el regulador piloto haga ajustes muy precisos a la presión en la cámara del regulador con domo en función de la presión real aguas abajo, lo que permite que el regulador con domo compense cambiando su presión de salida.

A medida que aumentan las demandas de flujo del sistema, la presión más baja se dirige de regreso al regulador piloto a través de la línea de retroalimentación adicional. El piloto reacciona a este cambio de presión aumentando la presión en el regulador cargado en el domo, lo que da como resultado la presión de ajuste adecuada aguas abajo. En esta configuración, el circuito de retroalimentación permite ajustes automáticos continuos para estabilizar el sistema y optimizar el rendimiento. Esto se demuestra en la Figura 1 como la curva de flujo final con una leve caída y un amplio rango de flujo.

Todos los reguladores exhibirán cierta caída. Dependiendo de su sistema, la caída puede ser aceptable. Pero cuando es crítico mantener la presión constante a medida que cambia el flujo, la configuración correcta del regulador puede ayudar. Para obtener más información sobre cómo seleccionar la configuración correcta del regulador reductor de presión para sus sistemas de fluidos, comuníquese con su centro local de ventas y servicio Swagelok para una evaluación experta.