Válvula solenoide con separación de medios - Cómo funcionan

En una electroválvula con separación de medios, el fluido no está en contacto con las piezas mecánicas internas, como el émbolo y el muelle. Estas válvulas son especialmente adecuadas para fluidos contaminados o corrosivos. Antes de hablar del diseño y la aplicación de estas válvulas, explicaremos primero los principios básicos de diseño de una electroválvula.

Una electroválvula se acciona de forma electromagnética. El actuador es un solenoide, que es una bobina eléctrica con un núcleo ferromagnético móvil en su centro. Este núcleo suele denominarse émbolo. Una corriente eléctrica a través de la bobina crea un campo magnético que ejerce una fuerza sobre el émbolo. Como resultado, el émbolo es arrastrado hacia el centro de la bobina. Si la corriente fluye, el núcleo permanece tirado hacia el centro. En cuanto el flujo de corriente se detiene, el campo magnético desaparece, y el núcleo es empujado (normalmente) por un muelle a su posición inicial. El movimiento del émbolo mediante una corriente eléctrica crea un sistema electromecánico que es el componente básico de funcionamiento de todas las electroválvulas.

Riesgo de corrosión y contaminación

En la mayoría de las electroválvulas, el émbolo ferromagnético y el muelle de retorno están en contacto con el medio. Las válvulas pueden elegirse con muchos materiales de carcasa diferentes para que sean químicamente compatibles con el medio, pero el émbolo siempre tiene que ser ferromagnético. El material más común del émbolo es el acero inoxidable 430F, que tiene una menor resistencia química en comparación con los materiales comunes de la carcasa, como el acero inoxidable 304 o 316.

Además, debido al mecanismo del actuador de las electroválvulas, son muy sensibles a la suciedad y sólo funcionan con líquidos o gases limpios. Las válvulas pueden permitir la entrada de medios en los espacios muertos, donde la acumulación de pequeñas partículas puede interferir con el movimiento de la válvula, suponer un riesgo de contaminación cruzada para el siguiente lote y provocar el desgaste de las piezas de accionamiento. Las contaminaciones en el medio son responsables de la mayor parte de los problemas de las electroválvulas. Hay que tener cuidado de que las válvulas se instalen con su solenoide en posición vertical con la bobina hacia arriba para evitar la acumulación de residuos y materias extrañas alrededor del émbolo. En caso de que la electroválvula se monte en ángulo, se recomienda desviarse como máximo 90° de la posición vertical.

Antes de la instalación, siempre se recomienda enjuagar brevemente las tuberías para limpiarlas de cualquier partícula. Si hay posibilidad de contaminación, se puede instalar un filtro antes de la entrada de la válvula. El mantenimiento rutinario puede evitar estos problemas.

Sin embargo, si los medios del sistema están contaminados por naturaleza, cargados de partículas finas, son agresivos, corrosivos, sensibles a la temperatura o ultrapuros, se recomienda utilizar electroválvulas con separación de medios. Tenga en cuenta que las electroválvulas con separación de medios sólo pueden tratar medios ligeramente contaminados y no son adecuadas para todos los medios cargados de partículas. Para medios o lodos muy contaminados, son más adecuados otros tipos de válvulas. Más adelante explicaremos las alternativas.

Electroválvulas con separación de medios

Las válvulas separadoras de medios están diseñadas para manipular medios críticos como líquidos o gases agresivos, cargados de partículas o de alta pureza. Por lo tanto, es esencial separar las partes hidráulicas y eléctricas de la válvula del paso del flujo. Este tipo de válvulas están diseñadas de forma que el medio sólo está en contacto con el cuerpo de la válvula, la junta y el diafragma de aislamiento. El actuador está situado fuera del espacio del fluido, lo que lo protege de la corrosión o de la acumulación de materias extrañas. De este modo, los medios están protegidos de la contaminación y de las fluctuaciones de temperatura excesivas. El diafragma de aislamiento y el cuerpo de la válvula están fabricados con materiales resistentes y la válvula puede lavarse fácilmente gracias a la reducción de los espacios muertos.

Tipos

Las electroválvulas de separación de medios existen en muchas configuraciones diferentes. En general, el mecanismo de accionamiento principal se divide en dos categorías: de accionamiento directo y de accionamiento indirecto. El criterio más importante que hay que tener en cuenta a la hora de elegir el tipo de válvula adecuado es que las válvulas de accionamiento directo funcionan a partir de una diferencia de presión de cero bares en la entrada y la salida, mientras que las electroválvulas de accionamiento indirecto requieren una diferencia de presión mínima de unos 0,5 bares entre los puertos. Las electroválvulas de accionamiento indirecto están diseñadas para controlar caudales mayores utilizando un solenoide relativamente pequeño. En las siguientes secciones se analiza el principio de funcionamiento de las electroválvulas separadoras de medios más utilizadas.

Válvula de solenoide de palanca de accionamiento directo

Para explicar este ejemplo, se toma como referencia el tipo Bürkert 0131. Esta válvula de palanca funciona según la ley de la palanca. Una palanca pivota sobre una bisagra fija y puede utilizarse para ejercer una gran fuerza sobre una pequeña distancia en un extremo ejerciendo sólo una pequeña fuerza sobre una distancia mayor en el otro. En una electroválvula de palanca de acción directa, el émbolo está conectado perpendicularmente a la palanca en el extremo superior (figura 2) y el cilindro de sellado está situado en el extremo inferior de la palanca. La fuerza de entrada creada por el movimiento horizontal del émbolo se traslada a través de la palanca al cilindro de sellado sobre los asientos de la válvula. Por lo tanto, esta característica puede conmutar directamente grandes diámetros en una válvula.

Dado que la palanca pasa a través de un diafragma aislante, el actuador está separado del cuerpo del fluido. La separación de medios hace que esta válvula sea especialmente adecuada para su uso en soluciones críticas ácidas y alcalinas o en medios que contienen partículas. Debido a sus grandes diámetros, esta válvula se utiliza a menudo como válvula de vaciado y de mezcla. Esta válvula puede funcionar como 2/2 vías o 3/2 vías.

Electroválvula de accionamiento directo con armadura pivotante

En este tipo de válvula, el émbolo es la armadura que pivota en un punto, pasa a través de un diafragma aislante flexible y entra en el cuerpo de la válvula por el otro lado del diafragma. Cuando el solenoide recibe energía, la armadura pivotante (el émbolo) es arrastrada hacia el solenoide y pivota contra la fuerza de un muelle de retorno. Al igual que la válvula de palanca, el cilindro de sellado es empujado contra el asiento de la válvula (en las válvulas normalmente abiertas) para detener el flujo. Sin corriente, la armadura pivotante gira hacia atrás por la fuerza del muelle de retorno haciendo que el cilindro de sellado se aleje del asiento de la válvula dejando pasar el medio.

En la figura 3 se muestra una electroválvula de 3/2 vías de acción directa con armadura pivotante. En el estado sin tensión, el cilindro de sellado es forzado contra el asiento de la válvula 1 por la fuerza del muelle. En el estado activado, el solenoide hace pivotar la armadura del núcleo contra la fuerza del muelle y el cilindro de sellado es forzado contra el asiento de la válvula 2.

El uso de una membrana separadora, que separa la cámara de medios del sistema electromagnético, permite utilizar estas válvulas para el control de fluidos corrosivos, contaminados y agresivos, así como para el vacío.

Electroválvulas de accionamiento indirecto (servoaccionadas)

La apertura de grandes orificios mediante el método de acción directa requeriría enormes y costosas bobinas. Las válvulas servoasistidas utilizan la presión diferencial del medio sobre los puertos de la válvula para abrir y cerrar. Los principios de funcionamiento de una electroválvula servoasistida se analizan más adelante.

En una válvula servoasistida con control piloto de armadura pivotante, la válvula piloto es una válvula de armadura pivotante de acción directa, mientras que la junta de la válvula principal es una membrana flexible más grande o un pistón.

El principal campo de aplicación de esta válvula es la conmutación fiable de gases y fluidos poco contaminados y agresivos para diámetros mayores. Con este tipo de válvula hay muy poco peligro de obstrucción, ya que el actuador y la cámara de medios están separados por un diafragma.

Otros tipos de válvulas

Entre otras válvulas separadoras de medios, las válvulas de pellizco, las válvulas de bola y las válvulas de mariposa también se utilizan habitualmente para controlar el caudal de fluidos contaminados o agresivos:

Válvulas de pellizco se colocan alrededor de las tuberías de proceso y las juntan (pellizcan) para crear un sello que cierra el flujo. Las válvulas de pellizco se utilizan habitualmente en instrumentos médicos, analizadores clínicos o químicos y una amplia gama de equipos de laboratorio. Las válvulas de pellizco son válvulas de paso total (puerto completo) que minimizan la pérdida de presión cuando están completamente abiertas.

Lasválvulas de bola utilizan una bola hueca perforada y pivotante para controlar el fluido. Cuando el orificio de la bola está en línea con el flujo, la válvula está totalmente abierta, y cuando se gira 90 grados la válvula está totalmente cerrada. Las válvulas de bola son duraderas, fáciles de manejar y pueden funcionar a altas presiones y temperaturas.

Lasválvulas de mariposa utilizan un disco que gira un cuarto de vuelta para pasar del estado abierto al cerrado. Las válvulas de mariposa suelen tener costes más bajos y pesan menos en comparación con las válvulas de bola. Sin embargo, como el disco siempre está presente dentro del flujo, incluso cuando está completamente abierto, siempre inducen una caída de presión en el sistema.

Criterios de selección

El principal criterio de selección de las electroválvulas con separación de medios, después de calcular la presión diferencial mínima requerida en los puertos, el valor KV y el orificio de la válvula, es la elección del material de construcción, es decir, el cuerpo y el material de la junta. Todos los materiales de construcción tienen propiedades específicas que los hacen adecuados para diferentes aplicaciones. Es esencial elegir el cuerpo y el material de sellado adecuados para su medio.