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Cómo Aplanar la Curva de Caudal de un Regulador para Reducir el Droop

 varios reguladores Swagelok

Cómo Aplanar la Curva de Caudal de un Regulador para Reducir el Droop

16 de septiembre de 2019 | Jon Kestner

El control fiable de la presión es esencial para la operación segura de los sistema de fluidos industriales. Mantener una presión aguas abajo fiable con un regulador puede ayudar a minimizar cambios en el caudal, especialmente en sistemas con alto caudal. No obstante y para mantener el control de la presión y minimizar el droop, puede ser necesario añadir componentes externos al sistema de fluidos.

¿Qué es el Droop?

flow curve chart demonstrating droop
Figura 1: Este gráfico muestra diferentes curvas de caudal con diferentes configuraciones de regulación de presión: un regulador sencillo de muelle (Opción A – referencia de partida); un  regulador pilotado y un regulador piloto (Opción B – “Buena”); un regulador pilotado y un regulador piloto con una línea de retroalimentación añadida al regulador pilotado (Opción C – “Mejor”); y un regulador pilotado y un regulador piloto con una línea de retroalimentación añadida al regulador piloto (Opción D – “La mejor”)

El droop se define como una caída de la presión de salida causada por un aumento del caudal aguas abajo. El gráfico de arriba (Figura 1) es un ejemplo de una curva de caudal. Una curva de caudal es una útil herramienta utilizada para establecer el rango de presiones de salida que un regulador mantendrá basadas en varios caudales del sistema. Las curvas de caudal se crean a través de ensayos del producto y representan el rendimiento real de un regulador según un conjunto dado de parámetros del sistema. 

El eje vertical muestra la presión de salida y el eje horizontal, el caudal aguas abajo. La parte más plana, o más horizontal de la curva indica dónde el regulador mantendrá la presión constante—incluso con cambios importantes en el caudal. El extremo derecho de la curva indica dónde el regulador estará totalmente abierto y no será capaz de mantener una presión constante. Dentro de esta área—desde donde la presión empieza a caer rápidamente hasta donde se acerca a cero—el obturador está cerca del límite de su carrera y se pierde el control. En este punto, el regulador está actuando menos como un dispositivo de control de presión y más como un orificio de restricción.

Aunque todos los reguladores reductores de presión tienen cierto droop, se pueden tomar medidas para reducir este fenómeno. Se pueden conseguir curvas de caudal más planas eligiendo el regulador adecuado a la configuración del sistema. A continuación se explican cuatro opciones distintas para reducir el droop.

Opción A: Un Regulador Sencillo de Muelle 

El tipo de regulador reductor de presión más común es el regulador de muelle. En este diseño, un muelle aplica fuerza sobre un elemento sensible—un diafragma o un pistón—que mueve el obturador acercándolo o alejándolo del orificio y controlando la presión aguas abajo. Utilizaremos el regulador de muelle como nuestra referencia de partida.

Un regulador reductor de presión de muelle tiene un rendimiento aceptable en aplicaciones generales en relación a reducir el droop. En esta configuración, cuando la demanda de caudal del sistema aumenta, el obturador del regulador se aleja del asiento permitiendo el paso de más caudal, lo que a su vez relaja el muelle de regulación reduciendo la fuerza de carga y el punto de ajuste del regulador. Cuando cambia la demanda de caudal, la cantidad de droop depende de la relación de carga del muelle, y en algunos casos pueden ser necesarios ajustes manuales frecuentes de la presión de consigna si se requiere un alto grado de precisión.

Una opción más eficiente para mejorar el droop y aplanar las curvas de caudal es un regulador de presión pilotado. La fuerza de carga en este tipo de regulador no la controla un muelle, sino una cámara de gas presurizada alojada en una bóveda. El gas flexiona un diafragma que aleja el obturador del orificio y controla la presión aguas abajo. El resto de las opciones siguientes analizan cómo los reguladores pilotados, conjugados con otros componentes y configuraciones de diseño, pueden mejorar el rendimiento minimizando el droop. 

Opción B: Regulador Pilotado con Regulador Piloto

La opción B se compone de un regulador reductor de presión pilotado con un regulador piloto. En esta configuración, el regulador pilotado responde a los cambios de presión manteniendo una presión constante en la cámara de pilotaje. El regulador piloto se utiliza para controlar el suministro de gas a la cámara del regulador pilotado. Como se muestra arriba en la Figura 2, cualquier exceso en la presión de la cámara es aliviado a través de un lazo de salida. 

Cuando la demanda de caudal del sistema aumenta, el obturador se aleja del asiento permitiendo más paso de caudal. Pero al contrario que en los reguladores de muelle, no hay una fuerza de carga del muelle que se pueda relajar. En lugar de ello, el diafragma se flexiona hacia abajo, aumentando el volumen de la cámara de pilotaje y descendiendo por tanto ligeramente la presión en ésta. El regulador piloto nota la caída de la presión en la cámara de pilotaje y responde abriendo para suministrar más gas a la cámara y mantener la presión de ajuste prevista. Cuando la demanda de caudal del sistema desciende, el obturador se acercará al asiento, empujando el diafragma hacia la cámara y aumentando por tanto ligeramente la presión en ésta. Este exceso de presión es venteado aguas abajo del regulador por medio del lazo de salida de control dinámico. 

dome loaded regulator configuration with a pilot regulator

Figura 2: La configuración de la Opción B consiste en un regulador pilotado con un regulador piloto y un lazo de control dinámico de salida para controlar la presión de la cámara. 

Si volvemos a la Figura 1, esta configuración está representada como la curva llamada “Opción B.” Comparada con la Opción A, la referencia de partida del regulador de muelle, la configuración del regulador pilotado con el regulador piloto ofrece un control de la presión más dinámico. Aunque todavía hay cierto droop, la curva de caudal es más plana—lo cual representa un regulador que puede mantener una presión de ajuste con más precisión en un amplio rango de caudales. Los reguladores pilotados estándar se pueden utilizar en muchos sistemas sin preocuparse de caídas significativas de la presión de salida. No obstante, el droop se puede reducir más con otras configuraciones que explicamos a continuación. 

Opción C: Línea de Retroalimentación Externa Conectada a un Regulador Pilotado 

configuration with an external feedback line connected to dome loaded regulator
Figura 3: La configuración de la Opción C incorpora una línea de retroalimentación externa conectada al regulador pilotado para compensar mejor las caídas de presión aguas abajo. 

Se puede conseguir una mayor precisión añadiendo una retroalimentación externa a un regulador pilotado. La retroalimentación externa se envía al regulador conectando un tubo que vuelve desde la línea de proceso aguas abajo hasta el área sensible del regulador pilotado. 

La línea de retroalimentación externa dirige la presión desde un punto del sistema aguas abajo del regulador al área sensible del mismo. Esto permite al regulador reaccionar a los cambios en la presión en ese punto del sistema, en lugar de solo a los cambios de la presión en el propio regulador, como es el caso de los diseños estándar de reguladores pilotados. 

Si consultamos la Figura 1, la Opción C está representada como la tercera curva de caudal. El caudal operativo se amplía antes de llegar al punto de estrangulación crítico. Aunque esta curva de caudal es más plana que las dos opciones anteriores, todavía muestra cierto droop.

Opción D: Línea de Retroalimentación Externa Conectada a un Regulador Piloto

Configuration with an external feedback line connected to pilot regulator
Figura 4: La configuración de la Opción D incorpora una línea de retroalimentación externa conectada al regulador piloto, suministrando presión de retroalimentación de un punto aguas abajo.

Nuestra opción final presenta la mejor configuración para aplanar la curva de caudal. Como se muestra arriba en la Figura 4, la línea de retroalimentación externa está directamente conectada al regulador piloto en lugar de al regulador pilotado. Esto permite al regulador piloto hacer ajustes muy precisos a la presión dentro de la cámara del regulador pilotado, según la presión real aguas abajo, permitiendo al regulador pilotado compensar cambiando su presión de salida. 

Cuando la demanda del caudal del sistema aumenta, la presión más baja es dirigida de vuelta al regulador piloto por medio de la línea de retroalimentación añadida. El piloto reacciona a este cambio de la presión incrementando la presión en el regulador pilotado, resultando en la adecuada presión de ajuste aguas abajo. En esta configuración, el lazo de retroalimentación permite ajustes continuos y automáticos para estabilizar el sistema hacia un rendimiento óptimo. Esto se ve claro en la Figura 1, en la última curva de caudal con un droop débil y un amplio rango de caudal.

Todos los reguladores tienen cierto droop. Y el droop puede ser aceptable, dependiendo del sistema. Pero cuando es crítico mantener la presión constante cuando cambia el caudal, una buena configuración de regulador puede ayudar. Para ampliar la información sobre cómo seleccionar la mejor configuración de reguladores reductores de presión para sus sistemas de fluidos, contacte con su centro local de ventas y servicio Swagelok para obtener asesoramiento experto.

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