Conceptos básicos del regulador de presión
Los reguladores de presión se encuentran en muchas aplicaciones domésticas e industriales comunes. Por ejemplo, los reguladores de presión se utilizan en parrillas de gas para regular el propano, en hornos de calefacción domésticos para regular los gases naturales, en equipos médicos y dentales para regular el oxígeno y los gases anestésicos, en sistemas de automatización neumática para regular el aire comprimido, en motores para regular el combustible y en celdas de combustible para regular el hidrógeno. Como demuestra esta lista parcial, existen numerosas aplicaciones para los reguladores, pero en cada una de ellas, el regulador de presión proporciona la misma función. Los reguladores de presión reducen una presión de suministro (o entrada) a una presión de salida más baja y trabajan para mantener esta presión de salida a pesar de las fluctuaciones en 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, se deben tener en cuenta muchos factores. Entre los factores importantes se incluyen: rangos de presión de funcionamiento para la entrada y la salida, requisitos de caudal, el fluido (¿es un gas, un líquido, tóxico o inflamable?), rango de temperatura de funcionamiento esperado, selección de materiales para los componentes del regulador, incluidos los sellos, así como restricciones de tamaño y peso.
Materiales utilizados en reguladores de presión
Existe una amplia gama de materiales disponibles para manejar diversos fluidos y entornos operativos. Los materiales más comunes de los componentes del regulador incluyen latón, plástico y aluminio. También se encuentran disponibles varios grados de acero inoxidable (como 303, 304 y 316). Los resortes que se utilizan dentro del regulador suelen estar hechos de alambre de acero al carbono o acero inoxidable.
El latón es adecuado para la mayoría de las aplicaciones comunes y suele ser económico. El aluminio se suele especificar cuando el peso es un factor a tener en cuenta. El plástico se considera cuando el bajo coste es la principal preocupación o se requiere un artículo desechable. Los aceros inoxidables se suelen elegir para su uso con fluidos corrosivos, en entornos corrosivos, cuando la limpieza del fluido es un factor a tener en cuenta o cuando las temperaturas de funcionamiento serán altas.
Igualmente importante es la compatibilidad del material de sellado con el fluido y con el rango de temperatura de funcionamiento. Buna-n es un material de sellado típico. Algunos fabricantes ofrecen sellos opcionales, entre los que se incluyen: fluorocarbono, EPDM, silicona y perfluoroelastómero.
Fluido utilizado (gas, líquido, tóxico o inflamable)
Se deben tener en cuenta las propiedades químicas del fluido antes de determinar los mejores materiales para su aplicación. Cada fluido tendrá sus propias características únicas, por lo que se debe tener cuidado al seleccionar los materiales adecuados para el cuerpo y el sello que entrarán en contacto con el fluido. Las partes del regulador que están en contacto con el fluido se conocen como componentes “humedecidos”.
También es importante determinar si el fluido es inflamable, tóxico, explosivo o peligroso por naturaleza. Se prefiere un regulador sin alivio para su uso con gases peligrosos, explosivos o costosos porque el diseño no libera la presión excesiva aguas abajo a la atmósfera. A diferencia de un regulador sin alivio, un regulador con alivio (también conocido como de alivio automático) está diseñado para liberar el exceso de presión aguas abajo a la atmósfera. Por lo general, hay un orificio de ventilación en el costado del cuerpo del regulador para este propósito. En algunos diseños especiales, el puerto de ventilación puede ser roscado y cualquier exceso de presión puede liberarse del cuerpo del regulador a través de un tubo y evacuarse en un área segura. Si se selecciona este tipo de diseño, el exceso de fluido debe liberarse de manera adecuada y de acuerdo con todas las normas de seguridad.
Temperatura
Los materiales seleccionados para el regulador de presión no solo deben ser compatibles con el fluido, sino que también deben poder funcionar correctamente a la temperatura de funcionamiento prevista. La principal preocupación es si el elastómero elegido funcionará correctamente en todo el rango de temperaturas previsto. Además, la temperatura de funcionamiento puede afectar la capacidad de flujo o la velocidad del resorte en aplicaciones extremas.
Presiones de funcionamiento
Las presiones de entrada y salida son factores importantes a tener en cuenta antes de elegir el mejor regulador. Las preguntas importantes que se deben 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?
Requisitos de flujo
¿Cuál es el caudal máximo que requiere la aplicación? ¿Cuánto varía el caudal? Los requisitos de los puertos también son un factor importante a tener en cuenta.
Tamaño y 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 se debe consultar con ellos si el tamaño y el peso generales son críticos. La selección de materiales, en particular los componentes del cuerpo del regulador, afectará el peso. También considere cuidadosamente los tamaños de los puertos (roscas), los estilos de ajuste y las opciones de montaje, ya que estos influirán en el tamaño y el peso.
Reguladores de presión en funcionamiento
Un regulador de presión se compone de tres elementos funcionales
* Elemento reductor o restrictivo de presión. A menudo, se trata de una válvula de asiento accionada por resorte.
* Un elemento sensor. Normalmente un diafragma o un pistón.
*Un elemento de fuerza de referencia. Normalmente, un resorte.
En funcionamiento, la fuerza de referencia generada por el resorte abre la válvula. La apertura de la válvula aplica presión al elemento sensor, que a su vez cierra la válvula hasta que se abre lo suficiente para mantener la presión establecida. El esquema simplificado “Esquema del regulador de presión” ilustra esta disposición de equilibrio de fuerzas.
(1) Elemento reductor de presión (válvula de asiento)
En la mayoría de los casos, los reguladores emplean una válvula de “válvula de retención” accionada por resorte como elemento restrictivo. La válvula de retención incluye un sello elastomérico o, en algunos diseños de alta presión, un sello termoplástico, que está configurado para formar un sello en el asiento de la válvula. Cuando la fuerza del resorte aleja el sello del asiento de la válvula, se permite que el fluido fluya desde la entrada del regulador hasta la salida. A medida que aumenta la presión de salida, la fuerza generada por el elemento sensor resiste la fuerza del resorte 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 ajuste, el resorte empuja la válvula de retención lejos del asiento de la válvula y se permite que fluya más fluido desde la entrada hasta la salida hasta que se restablezca 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 un factor importante o cuando la presión de salida no tiene que ajustarse a una tolerancia estricta. Los diseños de pistón tienden a ser 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 una 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 cambios de presión. Por lo general, están hechos de un elastómero, sin embargo, se utiliza un metal corrugado delgado en aplicaciones especiales. Los diafragmas eliminan esencialmente la fricción inherente a los diseños de estilo pistón. Además, para un tamaño de regulador en particular, a menudo es posible proporcionar un área de detección mayor con un diseño de diafragma de lo que sería factible si se empleara un diseño de estilo 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 ajuste de la presión de salida modificando la fuerza ejercida por el resorte de referencia.
Precisión y capacidad del regulador
La precisión de un regulador de presión se determina mediante la representación gráfica de la presión de salida en función del caudal. El gráfico resultante muestra la caída de la presión de salida a medida que aumenta el caudal. Este fenómeno se conoce como caída. La precisión del regulador de presión se define como la cantidad de caída que presenta el dispositivo en un rango de caudales; una caída menor equivale a una mayor precisión. Las curvas de presión en función del caudal que se proporcionan en el gráfico “Mapa operativo del regulador 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 en función del caudal para asegurarse de que el regulador pueda cumplir con los requisitos de rendimiento necesarios para la aplicación propuesta.
Definición de caída
El término “caída” se utiliza para describir la caída de la presión de salida, por debajo del punto de ajuste original, a medida que aumenta el caudal. La caída también puede ser causada por cambios significativos en la presión de entrada (a partir del valor cuando se ajustó la salida del regulador). A medida que la presión de entrada aumenta desde el ajuste inicial, la presión de salida disminuye. Por el contrario, a medida que la presión de entrada disminuye, la presión de salida aumenta. Como se ve en el gráfico “Mapa operativo del regulador de presión de acción directa”, este efecto es importante para el 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, pero tenga cuidado de no sobreespecificar. Un regulador con una válvula de gran tamaño, para las condiciones de la aplicación prevista, dará como resultado una mayor sensibilidad a las presiones de entrada fluctuantes 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 reguladora y garantizar 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 resortes y sellos. Observe el gráfico y notará que, para un caudal determinado, la presión de salida será mayor con un caudal decreciente que con un caudal creciente.
Regulador de una sola etapa
Los reguladores de una sola etapa son una excelente opción para reducciones de presión relativamente pequeñas. Por ejemplo, los compresores de aire que se utilizan en la mayoría de las fábricas generan presiones máximas en el rango de 100 a 150 psi. Esta presión se transmite por tuberías a través de la fábrica, pero a menudo se reduce con un regulador de una sola etapa a presiones más bajas (10 psi, 50 psi, 80 psi, etc.) para operar maquinaria automatizada, bancos de prueba, máquinas herramienta, equipos de prueba de fugas, actuadores lineales y otros dispositivos. Los reguladores de presión de una sola etapa generalmente no funcionan bien con grandes oscilaciones en la presión de entrada y/o 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.
En la mayoría de los reguladores de una sola etapa, excepto aquellos que utilizan un diseño de compensación de presión, una gran caída en la presión de entrada provocará un ligero aumento en la presión de salida. Esto sucede porque las fuerzas que actúan sobre la válvula cambian, debido a la gran caída de presión, desde el momento en que se estableció inicialmente la presión de salida. En un diseño de dos etapas, la segunda etapa no estará sujeta a estos grandes cambios en la presión de entrada, solo al ligero cambio de 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 un regulador de dos etapas, pero con la capacidad adicional de manejar una presión de entrada máxima significativamente más alta. Por ejemplo, el regulador de tres etapas de la serie PRD4HP 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 liviano que pueda mantener una presión de salida baja estable a pesar de una presión de entrada que disminuirá con el tiempo a partir de una presión alta es un componente crítico en muchos diseños. Los ejemplos incluyen instrumentos analíticos portátiles, celdas de combustible de hidrógeno, vehículos aéreos no tripulados y dispositivos médicos alimentados por gas de alta presión suministrado desde un cartucho de gas o cilindro de almacenamiento.
Ahora que ha elegido el regulador que mejor se adapta a su aplicación, es importante que el regulador esté instalado y ajustado 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 un filtro podría provocar una fuga hacia el puerto de salida si el asiento de la válvula está contaminado con suciedad o material extraño. Los gases regulados deben estar libres de aceites, grasas y otros contaminantes que podrían ensuciar o dañar los componentes de la válvula o atacar los sellos del regulador. Muchos usuarios desconocen que los gases suministrados en cilindros y cartuchos de gas pequeños pueden contener trazas de aceites 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 discutirse 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 alto caudal, puede producirse formación de hielo en el regulador si hay humedad presente.
Si el regulador de presión se va a utilizar con oxígeno, tenga en cuenta que el oxígeno requiere conocimientos especializados para un diseño seguro del sistema. Se deben especificar lubricantes compatibles con el oxígeno y, por lo general, se especifica una limpieza adicional para eliminar los rastros de aceites de corte a base de petróleo. Asegúrese de informar a su proveedor de reguladores que planea utilizar el regulador en una aplicación de oxígeno.
No conecte los reguladores a una fuente de suministro con una presión máxima mayor que la presión de entrada nominal del regulador. Los reguladores de presión no están diseñados para usarse como dispositivos de cierre. Cuando el regulador no esté en uso, se debe cortar la presión de suministro.
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 por error al puerto de salida.
PASO 2
Antes de abrir el suministro de presión al regulador, gire la perilla de control de ajuste hacia atrás para restringir el flujo a través del regulador. Abra gradualmente la presión de suministro para no “sorprender” al regulador con una ráfaga repentina de fluido presurizado. NOTA: Evite girar el tornillo de ajuste hasta el fondo del regulador porque, en algunos diseños de reguladores, la presión de suministro completa se entregará al puerto de salida.
PASO 3
Ajuste el regulador de presión a la presión de salida deseada. Si el regulador no alivia, será más fácil ajustar la presión de salida si el fluido fluye en lugar de que esté en un punto muerto (sin flujo). Si la presión de salida medida excede la presión de salida deseada, purgue el fluido desde el lado descendente del regulador y reduzca la presión de salida girando la perilla de ajuste. Nunca purgue el fluido aflojando los accesorios, ya que podría sufrir lesiones.
Con un regulador de tipo de alivio, el exceso de presión se ventilará automáticamente a la atmósfera desde el lado de salida del regulador cuando se gira la perilla para reducir el ajuste de salida. Por este motivo, no utilice reguladores de tipo de alivio con líquidos inflamables o peligrosos. Asegúrese de que el exceso de líquido se ventile de manera segura y de acuerdo con todas las normas 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 en lugar de hacerlo desde arriba. Si supera el punto de ajuste mientras ajusta el regulador de presión, reduzca la presión establecida hasta un punto por debajo del punto de ajuste. Luego, nuevamente, aumente gradualmente la presión hasta 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 regrese constantemente al punto de ajuste. Además, la presión de salida también debe encenderse y apagarse para garantizar que el regulador de presión regrese al punto de ajuste deseado. Repita la secuencia de ajuste de presión si la presión de salida no regresa al valor deseado.
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