Controlar la Variación en la Presión de Entrada (SPE) en un Regulador

Controlar la Variación en la Presión de Entrada (SPE, de Supply Pressure Effect) en un Regulador

Wouter Pronk, Ingeniero de Campo Senior, Swagelok

Los operarios de sistemas de fluidos a cargo de una línea de proceso cuya fuente sea una botella de gas, pueden ocasionalmente observar el fenómeno de un aumento en la presión de salida de un regulador reductor de presión sin razón aparente. A medida que la botella se vacía, la presión de entrada en el regulador disminuye. Y muchos técnicos cualificados esperarían que la presión de salida disminuyese simultáneamente, pero en lugar de ello, la presión de salida aumenta. Este hecho se conoce como variación en la presión de entrada (SPE). 

¿Qué es la Variación en la Presión de Entrada (SPE)?

La variación en la presión de entrada, también conocida como dependencia, es el cambio en la presión de salida motivado por un cambio en la presión de entrada, o suministro. Bajo este fenómeno, los cambios en la presión de entrada y salida son inversamente proporcionales entre ellos. 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 descenderá. 

La variación en la presión de entrada de un regulador normalmente la facilita 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 en la presión de salida de un regulador se puede estimar con la siguiente fórmula:

∆P (salida) = ∆P (entrada) x SPE

Diseño de Obturador No Equilibrado vs Diseño de Obturador Equilibrado en Reguladores de Muelle

Uno de los tipos de reguladores más comunes es el regulador de presión de muelle. Un muelle aplica fuerza sobre un elemento sensible, un diafragma o un pistón, que controla el obturador sobre el orificio—controlando así la presión de salida.  

En el diseño de obturador no equilibrado, la presión de entrada empuja al obturador hacia arriba, aplicando presión sobre todo el área del asiento del mismo. Como resultado, cualquier descenso en la presión de entrada significa que la fuerza que empuja al obturador es menor, permitiendo al muelle de regulación, más fuerte, empujar ligeramente al obturador alejándolo del asiento—e incrementando por tanto la presión de salida. El aumento resultante de la presión de salida no es lo suficientemente fuerte para contrarrestar totalmente la fuerza del muelle de regulación y devolver al obturador a su posición original. El resultado es un aumento en la presión de salida motivado por la variación en la presión de entrada.

Dado que los reguladores operan en un equilibrio de fuerzas, la cantidad de SPE se puede determinar por la relación entre las áreas en las que la presión actúa, sobre el obturador y las áreas sensibles. Esto quiere decir que los reguladores con áreas sensibles grandes y obturadores pequeños tendrán la SPE más baja, y aquellos con áreas sensibles más pequeñas y obturadores grandes tendrán la SPE más alta.

Para demostrar el efecto de un diseño de obturador no equilibrado ante la variación en la presión de entrada, reduzca gradualmente la presión de entrada. Con una presión de entrada de 80 bar (1160 psig), la presión de salida es de 3 bar (43,5 psig). Pero si la presión de entrada se reduce a 60 bar (870 psig), la presión de salida sube a 3,7 bar (53,7 psig). Dado que la presión de entrada actúa sobre toda la superficie de un obturador no equilibrado, cualquier cambio en la presión de entrada produce un gran cambio en la fuerza que a su vez provoca un cambio aún mayor en el equilibrio de fuerzas del regulador.

Un método frecuente para reducir la variación en la presión de entrada, especialmente en aplicaciones de alto caudal en las que los obturadores son generalmente grandes, es utilizar un regulador con diseño de obturador equilibrado. La intención del diseño de este regulador es minimizar el área en la que la alta presión de entrada puede actuar. Esto se consigue permitiendo que la presión de salida, más baja, alcance una parte de la superficie inferior del obturador a través de un orificio que lo atraviesa verticalmente, y sellando con una junta tórica el vástago inferior del obturador.  En términos de variación en la presión de entrada, cualquier cambio en la presión de entrada resultará en un cambio menor en la fuerza, ya que la presión está actuando en un área mucho menor. 

Para demostrar cómo la variación en la presión de entrada afecta a un regulador con obturador equilibrado, imagine la presión de entrada descendiendo gradualmente como en el ejemplo anterior del diseño de obturador no equilibrado. Como antes, con una presión de entrada de 80 bar (1160 psig), la presión de salida es de 3 bar (43,5 psig). Pero cuando la presión de entrada se reduce a 60 bar (870 psig), la presión de salida solo sube hasta 3,2 bar (46,4 psig). De hecho, incluso a una presión de entrada de 50 bar (725 psig), la presión de salida continúa estable a 3,2 bar (46,4 psig). 

Observe cómo el efecto sobre la presión de salida con un obturador equilibrado queda atenuado en relación a la configuración del anterior regulador. Una ventaja añadida de un regulador con obturador equilibrado es la capacidad para reducir el lockup (caída brusca de la presión en la apertura)—evitando potenciales picos en la presión de salida cuando el obturador cierra rápidamente. 

Regulación de Una Etapa vs Regulación de Dos Etapas 

Para aplicaciones de bajo caudal como los sistemas de instrumentación analítica un método alternativo para minimizar la variación en la presión de entrada es reducir la presión en dos etapas. Este método implica instalar dos reguladores de una etapa en serie o combinar los dos reguladores en un solo ensamblaje. Cada regulador controla la variación en la presión de entrada hasta cierto grado, pero juntos, los dos reguladores mantienen la presión de salida muy cerca de su punto de ajuste original. 

Para calcular la variabilidad de la presión de salida en una instalación de dos etapas, la diferencia de la presión de entrada se multiplica por la SPE de cada regulador. Esto queda ilustrado en la siguiente ecuación:

∆P (salida) = ∆P (entrada) x SPE1 x SPE2

Recuerde que la SPE es una relación inversa entre las variables de las presiones de entrada y salida: El regulador de la primera etapa experimentará un aumento en la presión de salida a medida que la botella se vacía y la presión de entrada desciende. Ese incremento será transmitido a la segunda etapa, y resultará en el subsiguiente descenso en la salida del segundo regulador. Dado que el regulador de la primera etapa experimenta el cambio mayor en la presión de entrada y produce un cambio menor en la salida, el regulador de la segunda etapa reacciona solo al pequeño cambio en la presión de entrada que le llega de la primera etapa y muestra un mínimo descenso en la presión de salida.

Para demostrar la variación en la presión de entrada, el siguiente ejemplo utiliza un regulador de presión modelo KCY. La botella de gas se vacía desde 172 bar (2500 psig) hasta 34 bar (500 psig). Asumamos que cada regulador tiene una SPE del 1%. Con un diferencial de presión en la entrada de 137 bar (2000 psig), el regulador de la primera etapa notará un incremento de 1,3 bar (20 psig). Y como resultado de ese incremento, el regulador de la segunda etapa notará un descenso de 0,01 bar (0,20 psig) en la presión de salida. Observe cómo el efecto sobre la presión de salida queda radicalmente atenuado en relación a las configuraciones de los anteriores reguladores.

En cuanto al control de la variación en la presión de entrada, un regulador de dos etapas normalmente ofrece mejores resultados que un regulador de presión con obturador equilibrado. Para una aplicación que utilice una botella de gas para alimentar diferentes operaciones con la misma presión de consigna, cualquiera de las opciones es aceptable. 

Por otro lado, para las aplicaciones que requieran una botella para alimentar varias operaciones con diferentes presiones, se necesitarán dos reguladores de una etapa para construir un sistema de reguladores de dos etapas. Si ese es el caso, instale el primer regulador cerca de la botella de gas y los reguladores de la segunda etapa en cada una de las líneas de proceso. Normalmente y para minimizar la SPE, se construyen sistemas con un regulador de dos etapas en la fuente del gas y un regulador de una etapa en el punto de uso. Pero esta configuración excesiva es una regulación en tres etapas—innecesaria para la gran mayoría de las aplicaciones. Dos reguladores de una etapa en serie producirán una mínima SPE a un coste más bajo. 

Conclusion

La variación en la presión de entrada es un fenómeno siempre presente cuando un regulador controla la presión de salida de una botella de gas. Ante cualquier cambio en la presión de entrada, habrá su correspondiente cambio en la presión de salida. Se pueden minimizar los efectos de la variación en la presión de entrada en muchas aplicaciones, utilizando un regulador de una etapa con obturador equilibrado o un regulador de dos etapas. Pero si su fuente de gas alimenta varias aplicaciones con diferentes requisitos de presión, necesitará varios reguladores de una etapa—uno cerca de la fuente de gas y otro en cada una de las líneas de proceso.

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