Cómo Elegir un Regulador
Los reguladores de presión desempeñan un papel crucial en muchos sistemas industriales de fluidos e instrumentación, ayudando a mantener o controlar la presión y el caudal deseados en respuesta a los cambios del sistema. Por estas razones, es importante seleccionar e instalar reguladores de presión que puedan satisfacer los requisitos específicos de sus aplicaciones. Pero dado que hay muchos tipos de reguladores de presión disponibles, cada uno con una funcionalidad específica, hacer la elección correcta no siempre es intuitivo. En este documento técnico, describiremos un proceso simplificado de cinco pasos que puede seguir para ayudarle a evaluar sus propias necesidades de presión y hacer una selección óptima del regulador.
La Importancia de una Correcta Regulación de la Presión
Los procesos de los sistemas de fluidos industriales dependen de un ajuste preciso de la temperatura, el caudal y la presión de los fluidos para que funcionen según está previsto. Muchos componentes del sistema desempeñan un papel en el mantenimiento de las condiciones necesarias del proceso, y uno de los más importantes es el regulador de presión.
Con una amplia variedad de reguladores de presión disponibles, es importante hacer la elección correcta para que su sistema analítico o de fluidos de proceso funcione de forma segura y según lo previsto. Una elección errónea puede conducir a ineficiencias, bajo rendimiento, problemas frecuentes y riesgos de seguridad.
Para poder elegir el regulador adecuado es necesario conocer los diferentes tipos de reguladores, su funcionamiento y cómo pueden aplicarse para satisfacer las necesidades de su sistema. Con estos conocimientos, estará mejor preparado para hacer una selección fundamentada y eficaz.
Para ayudarle a hacer una selección adecuada, hemos desarrollado un proceso simplificado de cinco pasos que puede aplicarse a la mayoría de los sistemas analíticos y de fluidos industriales.
¿Qué Sucede si se Instala el Regulador Incorrecto?
Los reguladores de presión están diseñados para controlar la presión del sistema teniendo en cuenta los cambios en los parámetros del mismo. Si se ha instalado un regulador incorrecto, es probable que se produzca un aumento o una disminución de la presión aguas abajo.
Cada uno de estos casos puede comprometer la calidad y la seguridad de su proceso. Una caída de presión imprevista puede provocar ineficiencias en el sistema o problemas en el proceso. Un aumento imprevisto puede dañar los equipos analíticos sensibles o, en el peor de los casos, crear un peligro para la seguridad del personal de las instalaciones.
Paso 1: Entender las Condiciones de su Proceso
La selección del regulador adecuado comienza con un buen conocimiento de las presiones, temperaturas y caudales de su sistema, junto con la compatibilidad de los materiales del regulador elegido con los fluidos del sistema.
Composición del Fluido de Proceso
Los fluidos de proceso líquidos y gaseosos tienen comportamientos diferentes que pueden afectar a la selección de su regulador. Por ejemplo, los reguladores de presión pueden conducir más caudal con un gas de baja densidad que con un gas de alta densidad. Este tipo de detalles determinarán los ajustes en el tamaño del regulador (ver la Figura 1).
Presión de Servicio
Dado que la función principal de su regulador es gestionar las presiones del sistema, es fundamental asegurarse de que su selección está debidamente clasificada para las presiones máximas, mínimas y habitualmente previstas del sistema.
Los rangos de control de la presión—indicados por sus correspondientes curvas de caudal—suelen estar presentes en las especificaciones de los reguladores, dada su importancia para la correcta selección de los mismos. Dos preguntas importantes que hay que hacerse antes de hacer la selección son:
1. ¿Cuál es la relación entre la presión de salida y el caudal previsto?
2. ¿Se espera que la presión de salida sea la misma con un caudal mínimo, normal y máximo?
Temperatura
La temperatura de servicio de su sistema de fluidos también puede influir en la selección y el funcionamiento del regulador. Asegúrese de tener en cuenta las temperaturas de servicio previstas y la influencia de otros factores ambientales a la hora de hacer su elección.
Algunos tipos de fluidos en los sistemas, cambiarán drásticamente de temperatura cuando experimenten un cambio de presión, y la función prevista de su regulador es alterar la presión. Este fenómeno se conoce como efecto Joule-Thomson. El gas natural comprimido, por ejemplo, puede pasar de una temperatura de 20ºC a -65ºC al experimentar una caída de presión (ver la Figura 2). Si no se han tomado las medidas adecuadas en el sistema de fluidos, un cambio tan drástico puede hacer que el regulador se congele, impidiendo que haga su trabajo. En una situación como ésta, es posible que tenga que instalar elementos calefactores adicionales para evitar la congelación. Hay herramientas disponibles para calcular el efecto Joule-Thomson en su sistema, y también puede trabajar con su proveedor de reguladores para predecir los posibles efectos.
Compatibilidad del Material
También es fundamental asegurarse de que los fluidos del sistema serán compatibles con todas las piezas del regulador. La incompatibilidad puede ser perjudicial para la longevidad de los componentes y puede provocar paradas excesivas del sistema.
Por ejemplo, algunos componentes internos de su regulador pueden verse afectados negativamente por los fluidos del sistema aunque el exterior del mismo parezca estar perfectamente bien. Aunque se espera un cierto deterioro natural de los componentes de caucho y elastómeros, algunos fluidos en el sistema pueden contribuir a acelerar la degradación y el fallo prematuro del regulador (vea la Figura 3).
Una vez evaluadas todas las condiciones previstas del sistema, puede pasar al paso 2.
Paso 2: Establezca sus Requisitos de Control
Hay dos tipos principales de reguladores: reguladores reductores de presión y reguladores de contrapresión. La elección del regulador dependerá de lo que se necesite.
Los reguladores reductores de presión controlan la presión del proceso detectando la presión de salida y controlando la presión aguas abajo.
Los reguladores de contrapresión controlan la presión del proceso detectando la presión de entrada y controlando la presión desde aguas arriba.
La mejor elección para sus aplicaciones depende de los requisitos de su proceso. Si necesita reducir la presión de una fuente de alta presión antes de que los fluidos del sistema lleguen al proceso principal, un regulador reductor de presión será la elección correcta. Los reguladores de contrapresión, por el contrario, pueden ayudar a controlar y mantener la presión aguas arriba liberando el exceso de presión si las condiciones del sistema hacen que los niveles sean más altos de lo deseado (vea a Figura 4).
Utilizados en el contexto adecuado, cada tipo puede ayudarle a mantener las presiones deseadas en todo el sistema.
Cómo Trabaja un Regulador
Una vez que determine la función que necesita que cumpla su regulador, puede ser útil entender los elementos que trabajan juntos para ofrecer funcionalidad.
Los reguladores se componen de las siguientes partes:
• Un elemento de carga, normalmente un muelle o una bóveda, en función de las necesidades de las aplicaciones. El elemento de carga aplica una fuerza de equilibrio hacia abajo en la parte superior del diafragma
• Un elemento sensor, normalmente un diafragma o pistón. El elemento sensor permite que el obturador suba y baje en el asiento, controlando la presión de entrada o salida
• Un elemento de control, incluyendo el asiento y el obturador. El asiento ayuda a contener la presión y evita que el fluido se escape hacia el lado opuesto del regulador cuando se cierra el caudal. Junto con el asiento, el obturador completa el proceso de cierre mientras el sistema está fluyendo
Estos elementos trabajan juntos para crear el control de presión deseado. El pistón o diafragma detecta la presión aguas abajo (de salida). El elemento sensor se equilibra entonces con la fuerza mantenida por el elemento de carga, que el operario ajusta mediante un mando u otro mecanismo de giro. El elemento sensor permitirá que el obturador abra o cierre desde el asiento. Estos elementos trabajan juntos para mantenerse en equilibrio y conseguir la presión de consigna. Si uno de ellos cambia, alguna otra fuerza también debe cambiar para restablecer el equilibrio.
En los reguladores reductores de presión hay que equilibrar cuatro fuerzas diferentes (vea la Figura 5). Éstas incluyen la fuerza de carga (F1),la fuerza de entrada del muelle (F2), la fuerza de la presión de salida (F3) y la fuerza de la presión de entrada (F4). La fuerza total de carga debe ser igual a la combinación de la fuerza del muelle de entrada, la fuerza de la presión de salida y la fuerza de la presión de entrada.
Los reguladores de contrapresión funcionan de forma similar. Deben equilibrar la fuerza del muelle (F1), la fuerza de la presión de entrada (F2) y la fuerza de la presión de salida ( F3), según se muestra en la Figura 6. Aquí, la fuerza del muelle debe ser igual a la fuerza combinada de la fuerza de la presión de entrada y la fuerza de la presión de salida.
Una vez definido qué tipo de regulador es el adecuado para sus objetivos, siga al paso 3.
Paso 3: Entender el Comportamiento del Regulador
Una vez instalado el regulador, es importante tener en cuenta los factores reales. Recuerde: Un regulador es un dispositivo mecánico, sin elementos electrónicos de control o detección. Esto significa que necesitamos entender bien varios comportamientos naturales de los reguladores que suelen darse en condiciones de campo.
Curva de Caudal
Las curvas de caudal representan el rendimiento real de un regulador para un conjunto determinado de parámetros del sistema (vea la Figura 7). 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 zona—entre el momento en que la presión empieza a disminuir rápidamente y el momento en que se acerca a cero—el obturador está llegando al límite de su carrera, lo que provoca una pérdida de control. En este punto, el regulador está actuando menos como un dispositivo de control de presión y más como un orificio de restricción.
Lock-up
El lock-up se produce al principio de la curva de caudal y alude a una caída de la presión específica justo por encima del punto de ajuste necesario para cerrar completamente el regulador y detener el caudal. Cuando se activa el caudal—cuando se abre una válvula, por ejemplo—la curva de caudal del regulador mostrará una caída de la presión hasta el punto de consigna. El lock-up es una característica típica del comportamiento de los reguladores, pero un buen diseño del regulador debería ayudar a mantenerlo al mínimo.
Droop
El droop también forma parte del comportamiento habitual de los reguladores y comienza inmediatamente después del lock-up. El droop se produce cuando las necesidades de caudal hacen que el obturador del regulador se abra más. El muelle se extiende hasta que pierde gradualmente la fuerza, lo que provoca una pérdida de presión o droop. El droop es de esperar en ciertos caudales y en todos los reguladores, pero mantener una curva de caudal lo más plana posible antes de que la presión caiga es lo ideal. Por eso es tan importante seleccionar la configuración de regulador que mejor se adapte a las necesidades de su aplicación.
Variación en la Presión de Entrada (SPE, de Supply Pressure Effect)
La SPE, también denominada dependencia de la entrada, se define como el cambio en la presión de salida debido a un cambio en la presión de entrada (vea la Figura 8). Según este fenómeno poco intuitivo, los cambios de presión de entrada y salida son inversamente proporcionales entre sí. Si la presión de entrada desciende, habrá un correspondiente incremento en la presión de salida. Y al contrario, si la presión de entrada aumenta, la presión de salida disminuirá.
La SPE prevista del regulador suele ser un dato ofrecido por el fabricante. La SPE normalmente se representa como una relación o porcentaje que describe el cambio en la presión de salida en función del cambio en la presión de entrada. Por ejemplo, si un regulador tiene una SPE de 1:100 o del 1%, por cada 100 psi de descenso en la presión de entrada, la presión de salida aumentará 1 psi. El grado de variación de la presión de salida de un regulador puede estimarse con la fórmula:
Un método común para reducir la SPE, especialmente en las aplicaciones de mayor caudal donde los obturadores suelen ser más grandes, es utilizar un regulador con un diseño de obturador equilibrado. La SPE también puede reducirse configurando un sistema con regulador de dos etapas. El primer regulador reduce la alta presión de entrada, haciendo que el segundo regulador experimente una caída de presión mínima. Aunque esta medida no es necesaria para todas las aplicaciones. Su proveedor de reguladores debería asesorarle para determinar la mejor configuración para sus necesidades específicas.
Una vez conocidos estos importantes comportamientos del regulador, es el momento de avanzar hacia el paso 4.
Paso 4: Identificar el Elemento de Carga Correcto
Como se ha explicado anteriormente, el elemento de carga del regulador aplica una fuerza de equilibrio hacia abajo sobre el elemento sensor para ayudar a controlar la presión. Los elementos de carga más comunes son de dos tipos: de muelle y pilotados.
Regulador de Muelle
Los reguladores de muelle son los más comunes y suelen ser los más familiares para los operarios. En este caso, un muelle aplica una fuerza sobre el elemento sensor—un diafragma o un pistón—que acerca o aleja el obturador del orificio, controlando la presión aguas abajo. Son una opción fiable para muchas aplicaciones de uso general.
• Se controla con un mando externo que regula la fuerza del muelle sobre el elemento sensor
• Utiliza un muelle para aplicar una fuerza de equilibrio hacia abajo sobre el elemento sensor del regulador (normalmente un diafragma o un pistón) para regular la presión
• Es una opción eficaz para las aplicaciones de uso general
Un regulador reductor de presión de muelle:
• Controla la presión del proceso detectando la presión de salida y regulando la presión aguas abajo
• Ayuda a reducir la presión de una fuente de alta presión
Un regulador de contrapresión de muelle:
• Controla la presión del proceso detectando la presión de entrada y regulando la presión aguas arriba
• Puede ayudar a controlar y mantener la presión aguas arriba liberando el exceso de presión
Regulador Pilotado
Los reguladores pilotados permiten un control más dinámico y más consistente de la presión a medida que varía la demanda de caudal. La fuerza de carga en este tipo de regulador no está controlada por un muelle, sino por gas presurizado alojado en la bóveda. El gas flexiona un diafragma, que aleja el obturador del orificio y controla la presión. Ofrecen varias ventajas, como mayor precisión, menor SPE y menor droop.
• Tienen un elemento pilotado que aplica una fuerza de equilibrio hacia abajo sobre el elemento sensor del regulador (normalmente un diafragma o un pistón) para regular la presión
• Utilizan la presión de fluido del sistema para consignar la presión en el elemento sensor
• Pueden ofrecer una mayor precisión en aplicaciones sensibles
Un regulador reductor de presión pilotado:
• Controla la presión del proceso detectando la presión de salida y regulando la presión aguas abajo
• Ayuda a reducir la presión de una fuente de alta presión
Un regulador de contrapresión pilotado:
• Controla la presión del proceso detectando la presión de entrada y regulando la presión aguas arriba
• Puede ayudar a controlar y mantener la presión aguas arriba liberando el exceso de presión
Los reguladores pilotados pueden incorporarse a una serie de diferentes configuraciones para mantener una curva de caudal muy plana. Pueden combinarse con reguladores pilotados y líneas de retroalimentación externas para conseguir ajustes muy precisos cuando las aplicaciones lo requieran.
Recuerde: Todos los reguladores presentan cierto droop. Y el droop puede ser aceptable, dependiendo del sistema. Pero cuando es crítico mantener la presión constante a medida que cambia el caudal, una configuración de regulador más sofisticada puede ayudar.
En este punto, debería tener una mejor idea de qué tipo de regulador se adapta a las necesidades de su sistema. También debería poder anticiparse a los efectos del comportamiento natural de los reguladores en cuanto al rendimiento del sistema. Y debería ser capaz de identificar el mecanismo de carga adecuado para conseguir los resultados que necesita. Ahora bien, también es importante seguir algunas de las mejores prácticas establecidas una vez que su regulador esté en funcionamiento, y que veremos en el Paso 5.
Paso 5: Seguir las mejores prácticas operativas
Para conseguir que su regulador funcione correctamente no sólo hay que saber seleccionarlo, sino también seguir las mejores prácticas de mantenimiento durante toda la vida útil del regulador. Como cualquier otro componente de un equipamiento industrial, el regulador sufrirá un desgaste natural a lo largo de su vida útil. Pero unas buenas prácticas de mantenimiento ayudarán a optimizar su utilidad, así como la seguridad de su sistema de fluidos.
El problema más común debido a malas prácticas de mantenimiento es un fenómeno conocido como creep. El creep no es un comportamiento natural de los reguladores de presión y se produce cuando un contaminante crea un espacio muy pequeño entre el asiento del regulador y el obturador (vea la Figura 9). Como consecuencia, el fluido del sistema circulará accidentalmente por el asiento, lo que provocará aumentos de presión no deseados aguas abajo. Esta situación puede ser problemática y peligrosa si sus componentes aguas abajo no están clasificados para las presiones que atraviesan el asiento.
Para reducir el creep y sus efectos deben tomarse varias medidas:
Filtración
Un buen filtro antes del regulador puede ayudar a asegurar que éste sólo vea pasar fluidos limpios. El filtro debe limpiarse regularmente o, si es necesario, sustituirlo para mantener un buen nivel de filtración.
Válvulas de Alivio
Para ayudar a reducir los efectos del creep, de producirse, se puede instalar una válvula de alivio aguas abajo del regulador.
Piezas de Repuesto
Tener disponibles kits de piezas de repuesto para su regulador puede permitirle solucionar cualquier problema rápidamente. De no tenerlos a mano, se puede producir una parada importante durante la espera para la reposición de los repuestos después de que se produzcan los problemas.
Más Recursos
Seguir estos pasos puede ayudarle a elegir el regulador adecuado. Pero estas consideraciones pueden no tener en cuenta todo lo que exige su sistema específico. Su proveedor de reguladores debería poder ofrecerle más orientación si le surgen dudas.
Los especialistas con experiencia de Swagelok pueden ofrecerle esa orientación, apoyándose en sus conocimientos de aplicación e ingeniería para recomendar la opción adecuada para su sistema. Tenemos disponibles varios recursos que puede utilizar para optimizar el rendimiento de su sistema de fluidos:
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