Los fundamentos de los reguladores de presión

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Los reguladores de presión se encuentran en muchas aplicaciones domésticas e industriales comunes. Por ejemplo, los reguladores de presión se utilizan en las parrillas de gas para regular el propano, en los hornos de calefacción para regular los gases naturales, en los equipos médicos y dentales para regular el oxígeno y los gases de anestesia, en los sistemas de automatización neumática para regular el aire comprimido, en los motores para regular el combustible y en las pilas de combustible para regular el hidrógeno. Como demuestra esta lista parcial, existen numerosas aplicaciones para los reguladores, pero en todas ellas el regulador de presión cumple la misma función. Los reguladores de presión reducen una presión de suministro (o de entrada) a una presión de salida más baja y trabajan para mantener esta presión de salida a pesar de las fluctuaciones de la presión de entrada. La reducción de la presión de entrada a una presión de salida más baja es la característica clave de los reguladores de presión.

Al elegir un regulador de presión hay que tener en cuenta muchos factores. Entre las consideraciones importantes se encuentran: los rangos de presión de funcionamiento para la entrada y la salida, los requisitos de caudal, el fluido (¿es un gas, un líquido, tóxico o inflamable?), el rango de temperatura de funcionamiento previsto, la selección de materiales para los componentes del regulador, incluidas las juntas, así como las limitaciones de tamaño y peso.

Materiales utilizados en los reguladores de presión

Existe una amplia gama de materiales para manejar diversos fluidos y entornos de funcionamiento. Los materiales comunes de los componentes de los reguladores incluyen el latón, el plástico y el aluminio. También hay disponibles varios grados de acero inoxidable (como 303, 304 y 316). Los muelles utilizados en el interior del regulador suelen ser de hilo musical (acero al carbono) o de acero inoxidable.

El latón es adecuado para la mayoría de las aplicaciones comunes y suele ser económico. El aluminio se especifica a menudo cuando el peso es una consideración. El plástico se considera cuando el bajo coste es la principal preocupación o se requiere un artículo desechable. Los aceros inoxidables se eligen a menudo para su uso con fluidos corrosivos, para su uso en entornos corrosivos, cuando la limpieza del fluido es una consideración o cuando las temperaturas de funcionamiento serán altas.

También es importante la compatibilidad del material de la junta con el fluido y con el rango de temperaturas de funcionamiento. El material típico de las juntas es el Buna-n. Algunos fabricantes ofrecen juntas opcionales que incluyen: Fluorocarbono, EPDM, Silicona y Perfluoroelastómero.

Fluido utilizado (gas, líquido, tóxico o inflamable)

Las propiedades químicas del fluido deben considerarse antes de determinar los mejores materiales para su aplicación. Cada fluido tendrá sus propias características, por lo que se debe tener cuidado al seleccionar los materiales apropiados para el cuerpo y la junta que entrarán en contacto con el fluido. Las partes del regulador que entran en contacto con el fluido se conocen como componentes «húmedos».

También es importante determinar si el fluido es de naturaleza inflamable, tóxica, explosiva o peligrosa. Se prefiere un regulador sin alivio para su uso con gases peligrosos, explosivos o caros porque el diseño no ventila una presión excesiva aguas abajo a la atmósfera. A diferencia de los reguladores sin alivio, los reguladores con alivio (también conocidos como de alivio automático) están diseñados para ventilar el exceso de presión aguas abajo a la atmósfera. Normalmente hay un orificio de ventilación en el lateral del cuerpo del regulador para este fin. En algunos diseños especiales, el orificio de venteo puede ser roscado y cualquier exceso de presión puede ser ventilado desde el cuerpo del regulador a través de una tubería y ser evacuado en un área segura. Si se selecciona este tipo de diseño, el exceso de fluido debe ser ventilado adecuadamente y de acuerdo con todas las normas de seguridad.

Temperatura

Los materiales seleccionados para el regulador de presión no sólo deben ser compatibles con el fluido, sino que también deben ser capaces de funcionar correctamente a la temperatura de funcionamiento prevista. La principal preocupación es si el elastómero elegido funcionará correctamente en todo el rango de temperatura previsto. Además, la temperatura de funcionamiento puede afectar a la capacidad de flujo y/o a la tasa de resorte en aplicaciones extremas.

Presiones de funcionamiento

Las presiones de entrada y salida son factores importantes a considerar antes de elegir el mejor regulador. Las preguntas importantes que hay que responder son: ¿Cuál es el rango de fluctuación de la presión de entrada? ¿Cuál es la presión de salida requerida? ¿Cuál es la variación permitida en la presión de salida?

Requerimientos de caudal

¿Cuál es el caudal máximo que requiere la aplicación? ¿Cuánto varía el caudal? Los requisitos de conexión son también una consideración importante.

Tamaño &Peso

En muchas aplicaciones de alta tecnología el espacio es limitado y el peso es un factor. Algunos fabricantes se especializan en componentes en miniatura y deben ser consultados. La selección de materiales, especialmente los componentes del cuerpo del regulador, influirá en el peso. También hay que considerar cuidadosamente los tamaños de los puertos (rosca), los estilos de ajuste y las opciones de montaje, ya que influirán en el tamaño y el peso.

Reguladores de presión en funcionamiento

Un regulador de presión consta de tres elementos funcionales

1. ) Un elemento reductor o restrictivo de la presión. A menudo se trata de una válvula de asiento con resorte.
2. ) Un elemento sensor. Típicamente un diafragma o un pistón.
3. ) Un elemento de fuerza de referencia. Más comúnmente un resorte.

En funcionamiento, la fuerza de referencia generada por el muelle abre la válvula. La apertura de la válvula aplica presión al elemento sensor que, a su vez, cierra la válvula hasta que está abierta lo suficiente para mantener la presión establecida. El esquema simplificado «Esquema del regulador de presión» ilustra esta disposición de equilibrio de fuerzas. (ver abajo)

(1) Elemento reductor de presión (válvula de asiento)

La mayoría de los reguladores emplean una válvula de asiento accionada por resorte como elemento restrictivo. El obturador incluye un sello elastomérico o, en algunos diseños de alta presión, un sello termoplástico, que está configurado para hacer un sello en un asiento de la válvula. Cuando la fuerza del muelle aleja el sello del asiento de la válvula, se permite que el fluido fluya desde la entrada del regulador hacia la salida. Cuando la presión de salida aumenta, la fuerza generada por el elemento sensor resiste la fuerza del muelle y la válvula se cierra. Estas dos fuerzas alcanzan un punto de equilibrio en el punto de ajuste del regulador de presión. Cuando la presión aguas abajo cae por debajo del punto de consigna, el muelle empuja el obturador fuera del asiento de la válvula y se permite que el fluido adicional fluya desde la entrada a la salida hasta que se restablece el equilibrio de fuerzas.

(2) Elemento sensor (pistón o diafragma)

Los diseños de tipo pistón se utilizan a menudo cuando se requieren presiones de salida más altas, cuando la robustez es una preocupación o cuando la presión de salida no tiene que mantenerse con una tolerancia estricta. Los diseños de pistón tienden a ser más lentos, en comparación con los diseños de diafragma, debido a la fricción entre el sello del pistón y el cuerpo del regulador.

En aplicaciones de baja presión, o cuando se requiere alta precisión, se prefiere el estilo de diafragma. Los reguladores de diafragma emplean un elemento delgado en forma de disco que se utiliza para detectar los cambios de presión. Suelen estar hechos de un elastómero, aunque en aplicaciones especiales se utiliza un metal delgado convolucionado. Los diafragmas eliminan esencialmente la fricción inherente a los diseños de tipo pistón. Además, para un tamaño particular de regulador, a menudo es posible proporcionar una mayor área de detección con un diseño de diafragma de lo que sería factible si se empleara un diseño tipo pistón.

(3) El elemento de fuerza de referencia (resorte)

El elemento de fuerza de referencia suele ser un resorte mecánico. Este resorte ejerce una fuerza sobre el elemento sensor y actúa para abrir la válvula. La mayoría de los reguladores están diseñados con un ajuste que permite al usuario ajustar el punto de consigna de la presión de salida cambiando la fuerza ejercida por el muelle de referencia.

Exactitud y capacidad del regulador

La exactitud de un regulador de presión se determina graficando la presión de salida frente al caudal. El gráfico resultante muestra la caída de la presión de salida a medida que aumenta el caudal. Este fenómeno se conoce como droop. La precisión de un regulador de presión se define como la cantidad de droop que presenta el dispositivo en un rango de caudales; menos droop equivale a mayor precisión. Las curvas de presión frente al caudal que se muestran en el gráfico «Mapa de funcionamiento de los reguladores de presión de acción directa», indican la capacidad de regulación útil del regulador. Al seleccionar un regulador, los ingenieros deben examinar las curvas de presión frente al caudal para asegurarse de que el regulador puede cumplir los requisitos de rendimiento necesarios para la aplicación propuesta.

Droop Definición

El término «droop» se utiliza para describir la caída de la presión de salida, por debajo del punto de ajuste original, al aumentar el caudal. El droop también puede ser causado por cambios significativos en la presión de entrada (desde el valor en que se fijó la salida del regulador). A medida que la presión de entrada aumenta con respecto al ajuste inicial, la presión de salida disminuye. A la inversa, cuando la presión de entrada disminuye, la presión de salida aumenta. Como se ve en el gráfico «Mapa de funcionamiento del regulador de presión de acción directa», este efecto es importante para un usuario porque muestra la capacidad de regulación útil de un regulador.

Tamaño del orificio

Aumentar el orificio de la válvula puede aumentar la capacidad de flujo del regulador. Esto puede ser beneficioso si su diseño puede acomodar un regulador más grande, sin embargo, tenga cuidado de no especificar demasiado. Un regulador con una válvula sobredimensionada, para las condiciones de la aplicación prevista, dará lugar a una mayor sensibilidad a las fluctuaciones de las presiones de entrada, y puede causar una caída excesiva.

Presión de bloqueo

La «presión de bloqueo» es la presión por encima del punto de ajuste que se requiere para cerrar completamente la válvula del regulador y asegurar que no haya flujo.

Histéresis

La histéresis puede ocurrir en sistemas mecánicos, como los reguladores de presión, debido a las fuerzas de fricción causadas por los resortes y los sellos. Observe el gráfico y se dará cuenta, para un caudal determinado, de que la presión de salida será mayor al disminuir el caudal que al aumentar éste.

Regulador de una etapa

Los reguladores de una etapa son una excelente opción para reducciones de presión relativamente pequeñas. Por ejemplo, los compresores de aire utilizados en la mayoría de las fábricas generan presiones máximas en el rango de 100 a 150 psi. Esta presión se canaliza a través de la fábrica, pero a menudo se reduce con un regulador de una etapa a presiones más bajas (10 psi, 50 psi, 80 psi, etc.) para hacer funcionar la maquinaria automatizada, los bancos de pruebas, las máquinas herramienta, los equipos de prueba de fugas, los actuadores lineales y otros dispositivos. Los reguladores de presión de una etapa no suelen funcionar bien con grandes variaciones en la presión de entrada y/o en los caudales.

Regulador de dos etapas (doble etapa)

Un regulador de presión de dos etapas es ideal para aplicaciones con grandes variaciones en el caudal, fluctuaciones significativas en la presión de entrada o presión de entrada decreciente como ocurre con el gas suministrado desde un pequeño tanque de almacenamiento o cilindro de gas.

Con la mayoría de los reguladores de una etapa, excepto los que utilizan un diseño de presión compensada, una gran caída de la presión de entrada provocará un ligero aumento de la presión de salida. Esto ocurre porque las fuerzas que actúan sobre la válvula cambian, debido a la gran caída de presión, desde que se fijó inicialmente la presión de salida. En un diseño de dos etapas, la segunda etapa no estará sometida a estos grandes cambios en la presión de entrada, sólo al ligero cambio desde la salida de la primera etapa. Esta disposición da como resultado una presión de salida estable de la segunda etapa a pesar de los cambios significativos en la presión suministrada a la primera etapa.

Regulador de tres etapas

Un regulador de tres etapas proporciona una presión de salida estable similar a la de un regulador de dos etapas pero con la capacidad añadida de manejar una presión de entrada máxima significativamente mayor. Por ejemplo, el regulador de tres etapas de la serie PRD3HP de Beswick está clasificado para manejar una presión de entrada de hasta 3.000 psi y proporcionará una presión de salida estable (en el rango de 0 a 30 psi) a pesar de los cambios en la presión de suministro. Un regulador de presión pequeño y ligero que pueda mantener una presión de salida baja y estable a pesar de una presión de entrada que disminuirá con el tiempo desde una presión alta es un componente crítico en muchos diseños. Algunos ejemplos son los instrumentos analíticos portátiles, las pilas de combustible de hidrógeno, los vehículos aéreos no tripulados y los dispositivos médicos alimentados por gas de alta presión suministrado desde un cartucho de gas o un cilindro de almacenamiento.

Ahora que ha elegido el regulador que mejor se adapta a su aplicación, es importante que el regulador se instale y se ajuste correctamente para garantizar que funcione según lo previsto.

La mayoría de los fabricantes recomiendan la instalación de un filtro antes del regulador (algunos reguladores tienen un filtro incorporado) para evitar que la suciedad y las partículas contaminen el asiento de la válvula. El funcionamiento de un regulador sin filtro podría provocar una fuga en el puerto de salida si el asiento de la válvula está contaminado con suciedad o materiales extraños. Los gases regulados deben estar libres de aceites, grasas y otros contaminantes que puedan ensuciar o dañar los componentes de la válvula o atacar las juntas del regulador. Muchos usuarios desconocen que los gases suministrados en cilindros y pequeños cartuchos de gas pueden contener trazas de aceites procedentes del proceso de fabricación. La presencia de aceite en el gas a menudo no es evidente para el usuario y, por lo tanto, este tema debe ser discutido con su proveedor de gas antes de seleccionar los materiales de sellado para su regulador. Además, los gases deben estar libres de humedad excesiva. En aplicaciones de gran caudal, puede producirse la congelación del regulador si hay humedad.

Si el regulador de presión se va a utilizar con oxígeno, tenga en cuenta que ese oxígeno requiere conocimientos especializados para el diseño seguro del sistema. Deben especificarse lubricantes compatibles con el oxígeno y suele especificarse una limpieza adicional para eliminar los restos de aceites de corte a base de petróleo. Asegúrese de informar a su proveedor de reguladores de que piensa utilizar el regulador en una aplicación de oxígeno.

No conecte los reguladores a una fuente de suministro con una presión máxima superior a la presión nominal de entrada del regulador. Los reguladores de presión no están destinados a ser utilizados como dispositivos de cierre. Cuando el regulador no está en uso, la presión de suministro debe estar apagada.

Instalación

Paso 1
Comience conectando la fuente de presión al puerto de entrada y la línea de presión regulada al puerto de salida. Si los puertos no están marcados, consulte con el fabricante para evitar conexiones incorrectas. En algunos diseños, pueden producirse daños en los componentes internos si la presión de suministro se suministra erróneamente al puerto de salida.

PASO 2
Antes de conectar la presión de suministro al regulador, retroceda el mando de control de ajuste para restringir el flujo a través del regulador. Aumente gradualmente la presión de suministro para no «golpear» el regulador con una descarga repentina de fluido presurizado. NOTA: Evite girar el tornillo de ajuste hasta el fondo del regulador porque, en algunos diseños de reguladores, toda la presión de suministro llegará al puerto de salida.

Paso 3
Ajuste el regulador de presión a la presión de salida deseada. Si el regulador no es de alivio, será más fácil ajustar la presión de salida si el fluido está fluyendo en lugar de estar «sin salida» (sin flujo). Si la presión de salida medida supera la presión de salida deseada, ventile el fluido desde el lado descendente del regulador y reduzca la presión de salida girando el botón de ajuste. Nunca ventile el fluido aflojando los racores, ya que podría provocar lesiones.

Con un regulador de estilo de alivio, el exceso de presión se ventilará automáticamente a la atmósfera desde el lado de aguas abajo del regulador cuando se gire el mando para reducir el ajuste de salida. Por esta razón, no utilice reguladores de tipo de alivio con fluidos inflamables o peligrosos. Asegúrese de que el exceso de fluido se ventila de forma segura y de acuerdo con todas las regulaciones locales, estatales y federales.

Paso 4
Para obtener la presión de salida deseada, realice los ajustes finales aumentando lentamente la presión desde abajo del punto de ajuste deseado. Es preferible ajustar la presión desde abajo del punto de ajuste deseado que hacerlo desde arriba del mismo. Si se sobrepasa el punto de ajuste mientras se ajusta el regulador de presión, retroceda la presión ajustada hasta un punto inferior al punto de ajuste. A continuación, vuelva a aumentar gradualmente la presión hasta alcanzar el punto de ajuste deseado.

PASO 5
Encienda y apague la presión de suministro varias veces mientras controla la presión de salida para confirmar que el regulador vuelve constantemente al punto de ajuste. Además, la presión de salida también debe encenderse y apagarse para asegurar que el regulador de presión vuelve al punto de ajuste deseado. Repita la secuencia de ajuste de la presión si la presión de salida no vuelve al ajuste deseado.

Beswick Engineering se especializa en accesorios líquidos y neumáticos en miniatura, desconexiones rápidas, válvulas y reguladores. Contamos con un equipo de ingenieros de aplicación titulados dispuestos a ayudarle con sus preguntas. Podemos realizar diseños personalizados a petición del cliente. Envíe su consulta en nuestra página de Contacto o haga clic en el icono de Chat en vivo en la parte inferior derecha de su pantalla.