Dominando las curvas de flujo de reguladores: técnicas para minimizar la caída y asegurar presión estable

Cómo aplanar una curva de flujo de regulador para reducir la caída (droop)

Jon Kestner

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

¿Qué es la caída (droop)?

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

El eje vertical muestra la presión de salida con el eje horizontal mostrando la tasa de flujo aguas abajo. La parte más plana, o más horizontal, de la curva indica donde un regulador preservará presión consistente —incluso con cambios sustanciales en el flujo. El extremo derecho de la curva indica donde el regulador estará completamente abierto y no capaz de preservar una presión consistente. Dentro de esta área —entre donde la presión comienza a declinar rápidamente hasta donde se acerca a cero— el vástago está alcanzando el límite de su carrera resultando en una pérdida de control. En este punto, el regulador actúa menos como un dispositivo de control de presión y más como un orificio restrictor.

Si bien todo regulador reductor de presión exhibirá alguna caída, puede tomar medidas para minimizar este fenómeno. Curvas de flujo más planas pueden lograrse eligiendo la configuración correcta de regulador para su sistema. Se explican a continuación 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 mueve el vástago ya sea más cerca o más lejos del orificio, controlando la presión aguas abajo. Usaremos el regulador accionado por resorte como nuestra línea 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 vástago del regulador se aleja del asiento para permitir flujo adicional, lo que a su vez permite que el resorte de carga se relaje, reduciendo la fuerza de carga y el punto de consigna del regulador. A medida que cambian las demandas de flujo, la cantidad de caída depende de la tasa del resorte de carga y, en algunos casos, puede requerir ajustes manuales frecuentes de vuelta a la presión de consigna deseada si se requiere un alto grado de precisión.

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

Opción B: Regulador accionado por cúpula con regulador piloto

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

A medida que aumenta la demanda de flujo del sistema, el vástago se alejará del asiento para permitir el flujo adicional. Sin embargo, a diferencia de un regulador accionado por resorte, no hay un resorte de carga que pueda relajarse. En su lugar, el diafragma se flexiona hacia abajo, expandiendo la cámara de cúpula, reduciendo ligeramente la presión de la cúpula. El regulador piloto detecta la caída en la presión de la cúpula y responde abriéndose para permitir gas adicional en la cúpula y manteniendo el punto de consigna previsto. Si la demanda de flujo aguas abajo disminuye, el vástago se elevará más cerca del asiento, empujando el diafragma hacia arriba en la cúpula y aumentando ligeramente la presión en la cúpula. Este exceso de presión se permite ventilar al lado aguas abajo del regulador a través del bucle de salida de control dinámico.

Figura 2: La configuración Opción B presenta un regulador accionado por cúpula con regulador piloto y bucle de salida de control dinámico para controlar la presión de la cúpula.

Si nos referimos de nuevo a la Figura 1, esta configuración está representada como la curva de flujo titulada "Opción B". Comparada con la Opción A, la curva del regulador accionado por resorte de línea base, la configuración de regulador accionado por cúpula y regulador piloto ofrece un control de presión más dinámico. Si bien todavía hay algo de caída, la curva de flujo es más plana —lo que representa un regulador que puede mantener con más precisión una presión de consigna sobre un amplio rango de flujos. Los reguladores accionados por cúpula estándar pueden usarse en muchos sistemas sin preocuparse por caídas significativas de presión de salida. Sin embargo, la caída puede reducirse aún más usando otras configuraciones explicadas a continuación.

Opción C: Línea de retroalimentación externa conectada a un regulador accionado por cúpula

Se puede lograr precisión adicional agregando retroalimentación externa a un regulador accionado por cúpula. La retroalimentación externa se envía al regulador conectando un tubo desde la línea de proceso aguas abajo de vuelta al área de sensor del regulador accionado por cúpula.

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

Si nos referimos de nuevo a la Figura 1, la Opción C está representada como la tercera curva de flujo. La tasa de flujo de operación se expande antes de llegar al punto de estrangulamiento crítico. Si bien esta curva de flujo es más plana que las dos opciones anteriores, aún exhibe algo de 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 se conecta directamente al regulador piloto en lugar del regulador accionado por cúpula. Esto permite que el regulador piloto haga ajustes altamente precisos a la presión en la cámara del regulador accionado por cúpula basándose en la presión real aguas abajo, permitiendo que el regulador accionado por cúpula compense cambiando su presión de salida.

A medida que aumentan las demandas de flujo del sistema, la presión más baja se dirige de vuelta al regulador piloto a través de la línea de retroalimentación añadida. El piloto reacciona a este cambio de presión aumentando la presión en el regulador accionado por cúpula, resultando en la presión de consigna aguas abajo adecuada. En esta configuración, el bucle de retroalimentación permite ajustes continuos y automáticos para estabilizar el sistema para un rendimiento optimizado. Esto se demuestra en la Figura 1 como la curva de flujo final con una caída tenue y un amplio rango de flujo.

Todos los reguladores exhibirán algo de 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 más información sobre cómo seleccionar la configuración correcta de regulador reductor de presión para sus sistemas de fluidos, contacte a su centro de ventas y servicio local de Swagelok para una evaluación experta.