Válvula de bola neumática y eléctrica - Cómo funcionan

Las válvulas de bola pueden automatizarse combinándolas con un actuador neumático (válvulas de bola neumáticas) o un actuador eléctrico (válvulas de bola eléctricas) para control remoto y automatización. La elección entre un actuador neumático y uno eléctrico depende de la aplicación específica, ya que cada uno tiene sus propias ventajas. En este artículo compararemos estas dos opciones.

Índice de contenidos

• Resumen de la válvula de bola
• Visión general del actuador
• Actuadores neumáticos
• Actuadores eléctricos
• Combinación de un actuador y una válvula de bola
• Comparación entre válvulas de bola neumáticas y eléctricas
• Ejemplos de aplicación de una válvula de bola neumática o eléctrica

Resumen de la válvula de bola

Una válvula de bola es una válvula de un cuarto de vuelta que controla el flujo de un medio mediante una bola hueca que gira, como se ve en la figura 2. La figura muestra los principales componentes de una válvula de bola manual en una vista seccional. Cuando la parte hueca de la bola está en línea con el flujo (tubo o manguera), la válvula está abierta y el medio puede pasar. La válvula se cierra cuando la parte sólida de la bola está en línea con el flujo, lo que se hace con un giro de 90 grados (de ahí el nombre de válvula de cuarto de vuelta) de la bola.

También es posible situar la válvula entre totalmente abierta y totalmente cerrada, lo que permite regular el caudal con mayor precisión. Las válvulas de bola típicas tienen dos puertos, uno de entrada y otro de salida. Sin embargo, también están disponibles tres puertos (L o T), y dependiendo de cómo se monte e instale la válvula determinará cómo la rotación de 90 grados de la bola dirige el flujo del medio. Las válvulas de bola de cuatro puertos son posibles pero poco frecuentes.

Las válvulas de bola tienen un vástago, que está unido a la bola y controla su rotación. En la figura 2, el vástago de la válvula está conectado a una manivela manual para accionar la válvula. Sin embargo, el vástago de la válvula también puede conectarse a un actuador giratorio neumático o eléctrico para hacer girar el vástago y abrir y/o cerrar la válvula de bola automáticamente y/o a distancia.

Visión general del actuador

Un actuador de válvula es un dispositivo que se utiliza para controlar a distancia una válvula. Si controla una válvula de cuarto de vuelta, el actuador se conoce como actuador de cuarto de vuelta. En lugar de una palanca manual, puede montar un actuador en la válvula para controlarla automáticamente y/o a distancia. Los actuadores utilizan una fuente de energía para generar el par necesario para hacer funcionar (girar) una válvula de bola. Para la mayoría de los actuadores, la fuente de energía es neumática, eléctrica o hidráulica (no se trata en este artículo). La diferencia de esta fuente de energía hace que haya diferentes diseños, cada uno de los cuales tiene diferentes ventajas y desventajas para determinadas aplicaciones (que se comentan a continuación). Además del componente generador de par, un actuador puede tener otras características, como indicadores de posición y accionamiento manual.

Actuadores neumáticos

Los actuadores neumáticos controlan las válvulas de bola mediante la conversión de la energía del aire comprimido en movimiento mecánico. En una válvula de bola se requiere un movimiento mecánico de rotación para un giro de 90 grados. Las válvulas de bola con actuador neumático pueden ser de simple o doble efecto. Un actuador neumático de simple efecto utiliza una sola entrada de aire comprimido para girar la válvula y un muelle para devolverla a su posición normal. Un actuador neumático de doble efecto tiene dos entradas de aire comprimido para girar la válvula y devolverla a su posición original.

Principio de funcionamiento

El mecanismo más común para un actuador neumático para válvulas de bola es el de cremallera. Está compuesto por la cremallera (un engranaje lineal) y el piñón (un engranaje circular) (figura 4). La cremallera está unida a un pistón que es empujado por aire comprimido para conseguir un movimiento lineal. Este movimiento lineal es convertido en movimiento circular por el piñón. El piñón acciona el vástago de una válvula de bola en las posiciones de apertura y cierre.

Para controlar el actuador neumático de las válvulas de bola, el aire comprimido se regula mediante electroválvulas. Las señales eléctricas del controlador energizan la válvula de solenoide para abrir o cerrar las posiciones permitiendo que el aire comprimido fluya a través de ambos lados del pistón del actuador neumático. El pistón empuja la cremallera que hace girar el piñón conectado al vástago de la válvula de bola.

Actuadores eléctricos

Los actuadores eléctricos convierten la energía eléctrica en fuerza de rotación mediante el uso de un motor eléctrico para girar la válvula de bola 90 grados. Son energéticamente eficientes, limpios y un método silencioso de control de válvulas. El motor eléctrico puede ser alimentado por una corriente alterna (AC) o una corriente continua (DC). Está alojado en una carcasa robusta y compacta que también contiene otros componentes del actuador, como engranajes, interruptores de límite, cableado, etc. Todo el conjunto se conecta a una válvula a través de una interfaz de conexión compatible, como la norma ISO 5211.

Principio de funcionamiento

El motor eléctrico genera un par motor que se transmite a través de un eje conectado al vástago de la válvula. Esto hace girar la válvula de bola. Para conseguir el par necesario, se conecta un sistema de engranajes al eje del motor eléctrico. La capacidad de par es una especificación importante para seleccionar un actuador. Debe ser mayor que el par necesario (par de arranque) para girar la válvula de bola en un determinado porcentaje, a menudo especificado por el fabricante de la válvula de bola. El par de arranque es el par mínimo necesario para hacer girar la válvula de bola, normalmente en las posiciones estáticas de cierre total o apertura total.

La velocidad de funcionamiento (el tiempo de respuesta) de un actuador eléctrico es inversamente proporcional al par del actuador. El sistema de engranajes define la relación entre la velocidad y el par. Una relación de engranajes más alta daría lugar a un mayor par motor pero a un menor tiempo de respuesta.

Los actuadores eléctricos pueden alimentarse con corriente continua de 12, 24 y 48 V y con corriente alterna de 24, 48, 120, 130 y 240 V. Los interruptores de fin de carrera se instalan para detener la corriente que llega al motor cuando está completamente cerrado y abierto. Los motores eléctricos pueden utilizarse para llevar a cabo un control modulante. Se utiliza para posicionar con precisión la válvula en cualquier punto entre las posiciones de apertura y cierre totales (es decir, entre 0° y 90°). Esto es útil para regular el caudal que pasa por la válvula. En el actuador eléctrico se instala una placa de circuito de posicionamiento (PCB) para modular el motor eléctrico. Para saber más sobre la modulación, lea nuestro artículo sobre válvulas modulantes .

Combinación de un actuador y una válvula de bola

Aunque los actuadores y las válvulas de bola son componentes separados, la mayoría de las veces se utilizan juntos. Por lo tanto, es más conveniente obtenerlos como un paquete para garantizar la conformidad. Combinando un actuador con una válvula de bola se obtiene una válvula de bola automática que puede ser controlada a distancia. El actuador y la válvula de bola tienen una interfaz de conexión para unirlos. La interfaz de conexión consta de un eje, o vástago, para conectar la bola de la válvula, y una brida para atornillar el actuador a la válvula. Esta interfaz puede ser específica de la marca o estandarizada según normas como la ISO 5211. Puede montar un actuador de una marca específica en una válvula compatible de una marca específica. Por otro lado, se pueden intercambiar diferentes válvulas de bola y actuadores siempre que sigan la misma norma, como la ISO 5211.

Comparación entre válvulas de bola neumáticas y eléctricas

A continuación se indican algunas de las características comparables de las válvulas de bola neumáticas y eléctricas:

Velocidad de rotación

La velocidad de rotación es la velocidad a la que la bola de una válvula de bola accionada realiza un giro completo (90 grados). Normalmente, para unidades del mismo tamaño, la velocidad de rotación de una válvula de bola eléctrica es inferior a la de una válvula de bola neumática.

Duración de la vida

La vida útil de los equipos es el tiempo que la unidad es totalmente funcional y operativa. Las válvulas de bola neumáticas tienen menos componentes y son más fáciles de mantener, por lo que tienen una vida útil más larga que sus homólogas eléctricas. Los actuadores eléctricos tienen varios componentes que necesitan mantenimiento, como la bobina eléctrica, el controlador electrónico, el actuador mecánico, etc.

Precisión

La precisión, o modulación, es para las unidades que se detienen en un punto parcialmente abierto (por ejemplo, 20 grados de apertura) para regular con mayor precisión el flujo. Tanto los actuadores neumáticos como los eléctricos son precisos en su funcionamiento, pero las válvulas de bola motorizadas tienen mayores niveles de precisión. Una válvula de bola eléctrica es capaz de abrirse y cerrarse en grados muy precisos. Los actuadores neumáticos realizan la modulación controlando la presión del aire en el puerto de entrada. Las fugas o las fluctuaciones de presión pueden afectar fácilmente a la posición de la válvula. Los actuadores eléctricos, en cambio, utilizan señales de control eléctricas exactas para llevar a cabo el control.

Consumo de energía

El consumo de energía es la energía que necesita el actuador para hacer girar la válvula. En comparación, el consumo de energía de una válvula de bola de accionamiento eléctrico es menor que el de las válvulas de bola de accionamiento neumático. En los actuadores neumáticos, todo el sistema de compresión de aire (compresor, filtros, lubricadores, potencia, etc.) es responsable de su elevado consumo energético.

A prueba de fallos

Se trata de una función de seguridad diseñada para abrir o cerrar automáticamente una válvula en caso de que se produzca un fallo de alimentación. Suele ser más fácil y barato incorporar un mecanismo de seguridad en una válvula de bola neumática que en una válvula de bola accionada por motor. Los actuadores de acción neumática son muy comunes y hacen uso de un muelle para volver a la posición de base y son ideales como solución a prueba de fallos. Los actuadores eléctricos con mecanismo de seguridad pueden funcionar con una batería o un muelle y suelen ser más caros que la solución neumática.

Coste

El coste de una válvula de bola neumática suele ser menor que el de una eléctrica porque el diseño del actuador es menos complejo. Sin embargo, esto no tiene en cuenta los costes de los componentes del sistema neumático, como el compresor, la preparación del aire, las tuberías, etc. Cuando no se dispone de un sistema neumático cerca de la válvula, normalmente se prefiere el accionamiento eléctrico. El funcionamiento de una válvula neumática es más caro a largo plazo debido al mayor consumo de energía y a las pérdidas de energía que se producen al generar el aire comprimido.

Feedback de la posición

Los indicadores de posición indican la posición del actuador en un momento dado. Suelen colocarse encima del actuador para que sean más visibles. La mayoría de los actuadores neumáticos pueden estar equipados con un interruptor de límite en la parte superior para la retroalimentación eléctrica. Muchos actuadores eléctricos tienen interruptores de límite internos para la retroalimentación de posición. Sin embargo, los actuadores más básicos no tienen esta característica.

Gama de tamaños/pares

El par es la fuerza de rotación que necesita una válvula de bola para girar. Los actuadores neumáticos ofrecen un par mucho mayor por unidad de tamaño que los eléctricos. Por lo tanto, para las aplicaciones que requieren una válvula de gran tamaño o un par de torsión elevado, normalmente una válvula de bola neumática es una mejor opción.

Condiciones de peligro

Una válvula de bola eléctrica debe contar con la certificación NEMA/ATEX para poder funcionar en condiciones peligrosas. Los actuadores neumáticos, sin embargo, están más disponibles con certificación ATEX. Además, no generan ni se ven afectados por las perturbaciones electromagnéticas. A diferencia de sus homólogos eléctricos, los actuadores neumáticos no son sensibles a los entornos húmedos ni están sujetos a sobrecalentamiento.

Tabla comparativa de válvulas de bola neumáticas y eléctricas

Esta tabla comparativa es para válvulas de bola neumáticas y eléctricas del mismo tamaño y es una comparación general. Habrá aplicaciones especiales y/o determinados diseños en los que esta comparación no sea exacta. Las propiedades también pueden utilizarse como criterio de selección.

Tabla 1: Válvulas de bola neumáticas frente a eléctricas

Tipo	Válvulas de bola neumáticas	Válvulas de bola eléctricas
Velocidad de rotación	Normalmente es más rápido.	Normalmente es más lento.
Duración de la vida	Menos componentes y más fácil de mantener, lo que se traduce en una mayor vida útil.	Numerosos componentes complejos, más afectados por el desgaste, lo que dificulta el mantenimiento y suele reducir la vida útil.
Precisión	Las fugas y las fluctuaciones de presión pueden causar problemas de precisión.	La precisión de las señales eléctricas da lugar a un posicionamiento preciso de las válvulas.
Consumo de energía	El sistema de compresión de aire consume mucha energía para llevar el aire al actuador.	Sólo requiere electricidad, lo que supone un menor consumo de energía que un sistema completo de aire comprimido.
Coste	Menor coste inicial, pero mayor coste de funcionamiento.	Mayor coste inicial, pero menor coste de funcionamiento.
A prueba de fallos	Más fácil y más barato de tener.	Más complicado de tener.
Gama de tamaños/pares	Tienen una mayor relación par/tamaño.	Tienen una menor relación de par a tamaño.
Condiciones de peligro	Más adecuado para entornos difíciles, versiones disponibles para entornos NEMA/ATEX.	Requiere certificaciones NEMA/ATEX para entornos peligrosos.
Condiciones de funcionamiento	Puede funcionar en condiciones de alta presión y temperatura	Puede funcionar en condiciones de presión y temperatura moderadas
Mantenibilidad	Mecanismo sencillo y de fácil mantenimiento	Un mecanismo complejo que requiere un experto técnico
Interferencias electromagnéticas	No hay perturbaciones	Puede experimentar perturbaciones de la señal
Control modulante	No se puede utilizar para la modulación del flujo	Con una placa de circuito impreso, puede utilizarse para la modulación del flujo
Peso	Ligero	Mucho más pesado

Ejemplos de aplicación de una válvula de bola neumática o eléctrica

• Entorno de fabricación: En un entorno de fabricación húmedo y duro, a menudo se dispone de aire comprimido. En las instalaciones en las que se accionan muchas válvulas de bola y/o mariposa de gran tamaño (por ejemplo, mayores de DN 50), se suelen elegir los actuadores neumáticos por su elevado par, su robustez y su menor coste de material.
• Aplicación móvil: Un robot que se desplaza es más probable que tenga energía eléctrica que neumática, teniendo en cuenta la movilidad que permite una válvula de bola eléctrica.
• Intercambiador de calor: Si se produce un fallo en la alimentación, el sistema sigue necesitando agua fría para enfriar el agua caliente restante y evitar el sobrecalentamiento. En esta aplicación, es mejor una válvula de bola neumática.