Dominando el Dimensionamiento de Válvulas Neumáticas: Guía Práctica

El aire comprimido es ampliamente considerado como el cuarto servicio esencial después de la electricidad, gas natural y agua. Por eso la neumática es parte integral de muchas industrias. Cuando se trata de neumática, uno de los aspectos más críticos del sistema es la válvula.

Las válvulas de control direccional de aire, en particular, son aquellas que permiten que el aire fluya en una dirección u otra. Se utilizan para controlar la dirección del flujo de aire en un sistema neumático, y errar en el dimensionamiento puede tener consecuencias costosas como fallos del sistema.

Este artículo discutirá los fundamentos del dimensionamiento adecuado de una válvula neumática y las diferentes opciones de válvulas que vale la pena considerar.

Fundamentos del Dimensionamiento

Debe considerar varios factores si desea dimensionar correctamente una válvula neumática. Debe comprender cómo se hace esto para evitar errores potenciales que puedan causar que su sistema no funcione correctamente.

Determinando el tamaño con la ecuación de flujo

Una de las primeras cosas que necesita utilizar es la ecuación de flujo. Este factor le permite considerar cuánto flujo puede entregar una válvula a un actuador. La calificación asociada generalmente utiliza el término "coeficiente de velocidad (Cv)". Este Cv (también denominado flujo de válvula) permite comparar el flujo de diferentes válvulas. Cuando el valor de Cv es alto, el flujo también es mayor.

Para emparejar una válvula y un cilindro, puede utilizar la siguiente ecuación:

Cv = (A × S × a × Cf) ÷ (t × 29)

Las variables involucradas en esta fórmula son las siguientes:

• A = Área del pistón del cilindro (π × r²)
• S = Carrera del cilindro
• t = Tiempo (en segundos)
• a = Constante de caída de presión
• Cf = Factor de compresión
• (t × 29) = Tiempo (en segundos) que tarda la presión en caer de la presión inicial a la final

Cabe señalar que las dos últimas variables cambian según el valor utilizado de la tabla o gráfico del Factor de Dimensionamiento.

Gráfico de dimensionamiento de válvulas

Si desea determinar rápidamente el Cv de una válvula, también puede utilizar un gráfico de dimensionamiento de válvulas. Este gráfico generalmente tiene varios valores para Cv, siendo algunos de los más comunes 0.015, 0.030 y 0.060.

El gráfico de dimensionamiento de válvulas le indicará el flujo máximo de aire para cada tamaño de válvula. También puede determinar cuánta presión se requiere para abrir y cerrar la válvula.

También vale la pena señalar que el Cv de la válvula depende del fabricante. El gráfico de dimensionamiento debe tener toda la información para determinar el Cv correcto para sus necesidades. Además, los expertos recomiendan sobredimensionar la válvula en aproximadamente un 25% para tener en cuenta varias pérdidas en sistemas neumáticos.

Si desea ser más específico con el dimensionamiento, también puede calcular el Cv de cada componente en el sistema. Esto le dará una imagen más precisa de cuánto flujo de aire se requiere.

Conversión de Cv a SFCM y ESEOD (Diámetro de Orificio de Borde Cuadrado Equivalente)

A veces es útil convertir el Cv de una válvula a otras dos calificaciones: pies cúbicos estándar por minuto (SCFM) y diámetro de orificio de borde cuadrado equivalente (ESEOD). Estas calificaciones pueden ser útiles cuando intenta determinar cuánto flujo puede proporcionar una válvula.

Para convertir Cv a SCFM, puede usar la siguiente ecuación:

SCFM = Cv ÷ F

Para convertir Cv a ESEOD, puede usar la siguiente ecuación:

ESEOD = (Cv × F) ÷ P

Las variables involucradas en estas ecuaciones son:

• P = Presión en PSI
• T = Temperatura en grados Fahrenheit.
• F = Factor

Tenga en cuenta que tanto la Presión (P) como el Factor (F) a menudo se toman de una tabla de factor de conversión. Digamos que está intentando convertir su Cv a SCFM.

El valor Cv es 0.48 y se opera a 100 PSI. Si mira una tabla de factor de conversión, notará que 100 PSI equivale a 0.0177.

Por lo tanto:

SCFM = Cv ÷ F

27 (SCFM) = 0.48 (Cv) ÷ 0.0177 (Factor)

Esto también se puede invertir multiplicando el SCFM por el factor:

SCFM x Factor = Cv

27 (SCFM) x 0.0177 (Factor) = 0.48 (Cv)

Diferentes Opciones de Válvulas

Cuando mira válvulas neumáticas, notará varios tipos disponibles. Los más comunes son los siguientes:

Válvula 5 puertos 4 vías

La válvula 5 puertos 4 vías tiene un puerto de escape separado para cada puerto del cilindro en la válvula. Al hacerlo, se pueden agregar controles de flujo en el escape para permitir control separado de cada puerto del cilindro. Se usa más a menudo al controlar un cilindro de doble efecto.

Válvula 3 posiciones, 5 puertos 4 vías

Estas válvulas son iguales a una válvula 5 puertos 4 vías, excepto que tienen tres posiciones centrales posibles. La posición uno y tres son las mismas que con una válvula 5 puertos 4 vías. Sin embargo, la posición central permite tres opciones diferentes sobre qué sucede cuando la válvula se desactiva. Las tres posiciones posibles son escape central, presión central y centro bloqueado. En la posición de escape central, ambos puertos del cilindro estarán abiertos al escape. En la posición de presión central, se aplicará presión a ambos puertos del cilindro. Finalmente, en la posición de centro bloqueado, todos los puertos están bloqueados.

Este tipo de válvula también es ideal para operaciones donde la varilla del cilindro necesita moverse a una posición específica y permanecer allí.

Válvulas 5 puertos vs. 4 puertos 4 vías

La principal diferencia entre una válvula de cinco puertos y una de cuatro puertos es que la de cinco puertos tiene un puerto separado para cada puerto del cilindro, mientras que la válvula de cuatro puertos tiene los dos flujos de escape yendo al mismo puerto de escape. Mientras que la válvula de cinco puertos permite fácil control de cilindros de doble efecto, las de cuatro puertos tienden a usarse donde no se requiere este control separado.

Válvulas 3 vías vs. 4 vías

Las válvulas de 3 vías difieren de las de 4 vías en que solo tienen un puerto de cilindro. En una aplicación normalmente cerrada, el aire va del puerto de suministro al puerto del cilindro cuando la válvula se activa. Cuando la válvula se desactiva, la válvula abre el puerto del cilindro al escape. En una aplicación normalmente abierta, la diferencia es que el aire fluye del puerto de suministro al puerto del cilindro cuando la válvula no está activada. Cuando se activa, el flujo de aire va del puerto del cilindro al puerto de escape.

Las válvulas de 4 vías permiten flujo continuo del suministro al puerto del cilindro normalmente abierto mientras el puerto del cilindro normalmente cerrado fluye al escape. Cuando la válvula se activa, el flujo cambia, escapando el puerto del cilindro normalmente abierto y presurizando el puerto normalmente cerrado.

La mayoría de las válvulas de 3 vías operan cilindros de simple efecto, mientras que las de 4 vías operan cilindros de doble efecto. Las Válvulas Balance Humphrey, modelos 310/410 y 320/420 son ejemplos perfectos de estas válvulas.

Válvulas de asiento vs. válvulas de carretilla y sus usos ideales

Las válvulas de asiento se usan en aplicaciones donde se necesita un tiempo de respuesta rápido. También son adecuadas para uso en aplicaciones de alta velocidad. Estas válvulas a menudo se usan en actuadores neumáticos, herramientas de aire y como válvulas piloto.

Por otro lado, las válvulas de carretilla son más adecuadas para uso en aplicaciones de baja velocidad. También se usan a menudo en aplicaciones donde se necesita una alta tasa de flujo en un tamaño más pequeño. Estas válvulas se usan típicamente en aplicaciones de automatización de fábrica.

Las válvulas de asiento son a menudo válvulas de acción directa, mientras que las válvulas de carretilla son pilotadas o válvulas de pilotaje remoto.

Válvulas proporcionales vs. válvulas digitales

Las válvulas proporcionales a menudo se usan en aplicaciones donde se necesita control preciso del flujo de aire. Estas válvulas pueden controlar el flujo de la válvula mediante una señal eléctrica variable.

Las válvulas digitales, por otro lado, tienen solo dos estados: encendido y apagado. Estas válvulas pueden usarse para abrir y cerrar un circuito, iniciar y detener el flujo de aire, o cambiar la dirección del flujo de aire.

Las válvulas proporcionales Humphrey PV3, PV10 y PC30 son bien conocidas. Para válvulas digitales, las Válvulas Balance Humphrey son una opción popular.

Válvula de Líquido

Este tipo de válvula se usa para controlar el flujo de líquido. A menudo se usa en aplicaciones donde se necesita control preciso del flujo de líquido. El uso más común para este tipo de válvula es en aplicaciones médicas y de diagnóstico. Las series Humphrey iDP y HK5 son considerados excelentes modelos de válvulas de líquido.

Tómese su Tiempo

El artículo de hoy discute los diferentes tipos de válvulas disponibles y sus usos ideales. También hemos proporcionado información sobre el dimensionamiento adecuado de una válvula neumática usando varias ecuaciones de flujo y compartido los diversos factores que necesita considerar.

Para garantizar seguridad y eficiencia, asegúrese de tomarse el tiempo para dimensionar correctamente su válvula neumática y considere seguir los pasos que compartimos en esta guía.

En caso de duda, siempre busque la ayuda de un profesional o consulte con un fabricante o distribuidor de confianza.

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