Válvulas de Solenoide

Junio 2003
Válvulas de Solenoide
Juan Pablo Carvallo, René Vargas
Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Técnica Federico Santa María, Casilla 110-V, Valparaíso, Chile
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Resumen
Las válvulas de solenoide permiten un control on-off mediante variaciones de corriente eléctrica en su bobina. Son utilizadas
ampliamente en control de flujo en sistemas neumáticos.
Palabras Clave - Campo Electromagnético, Válvula, Solenoide, Diferencia de Presión.
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1.
INTRODUCCION
En muchas aplicaciones es necesario controlar el paso
de algún tipo de flujo, desde corriente eléctrica hasta gases o
líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular,
las accionadas por solenoides permiten su implementación en
lugares de difícil acceso y facilitan la automatización del
proceso al ser accionadas eléctricamente.
¿Qué es una válvula de solenoide?
Este tipo de válvulas es controlada variando la
corriente que circula a través de un solenoide (conductor
ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta
corriente, al circular por el solenoide, genera un campo
magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas
válvulas operan de forma completamente abierta o
completamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las
que se controla el flujo en forma lineal.
Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo
vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o
por presión del fluido a controlar.
Figura 1: Campo producido por una bobina.
Electroimanes
El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, se
comporta como un electroimán. Atrae materiales
ferromagnéticos, producto de la alineación de momentos
magnéticos atómicos. El campo magnético, creado al circular
corriente por el solenoide, actúa sobre el émbolo móvil de
material magnético. Se produce una fuerza que ocasiona el
desplazamiento del émbolo permitiendo el cierre o apertura
de la válvula. En la Figura Nº1 se aprecia un esquema del
fenómeno. La bobina o solenoide genera un campo
magnético, de acuerdo a la Ley de Ampere:
r r
H
∫ ⋅ dl = iabrazada
Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o
núcleo móvil, tal como se aprecia en la Figura Nº2.
La acción de esta fuerza de origen magnético
constituye el principio de funcionamiento de toda válvula de
solenoide.
Figura 2: Movimiento del émbolo dentro de una bobina.
2.
CLASIFICACIÓN
Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas
ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin
embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación,
construcción o forma:
Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante
piloto.
Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente
cerrada.
Según su forma: De acuerdo al número de vías.
A continuación se profundizarán cada una de estas
categorías, detallando su funcionamiento y aplicación.
3.
VÁLVULAS
DIRECTA
DE
SOLENOIDE
DE
ACCIÓN
En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla el
flujo debido al efecto de la fuerza de origen magnético
directamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas
válvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la
válvula de solenoide de acción directa, normalmente cerrada
de dos vías de la Figura Nº3.
de acción directa se limitan a aplicaciones en las que se
trabaja con diferencias de presiones y caudales pequeños.
Para grandes flujos y presiones se utilizan válvulas de
solenoide operadas por piloto.
4.
VÁLVULAS DE SOLENOIDE OPERADAS POR
PILOTO
Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basan
en una combinación de la bobina solenoide, descrita
anteriormente, y la presión de la línea o tubería. En este tipo
de válvulas, el émbolo está unido a un vástago de aguja, que
a su vez cubre un orificio piloto en vez del puerto principal.
En la Figura 4 se aprecia, a modo de ejemplo, una válvula de
solenoide operada por piloto, normalmente cerrada, de dos
vías con pistón flotante.
Figura 3: Válvula de Acción Directa.
En ella, al no circular corriente por la bobina, la aguja
asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio
deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un
campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo
atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta,
permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de la
corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa.
Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la
aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo
por la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que
permiten la instalación de la válvula en posiciones no
verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de
gravedad.
Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de
presión entre la entrada y la salida del fluido, mayor tendrá
que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar
(o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula.
Debido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia
de presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este
límite se conoce como “Diferencial Máximo de Presión de
Apertura”.
Diferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD):
Tal como se dijo anteriormente, mientras mayor sea la
diferencia de presiones entre la entrada y la salida, más
fuerza será necesaria para abrir o cerrar la válvula. También,
mientras mayor sea el orificio de la válvula, mayor será el
área afectada por esta diferencia de presiones, haciendo aún
más difíciles los movimientos de la aguja asociada al émbolo.
Por lo tanto, dado la fuerza máxima con que el electroimán
puede atraer al émbolo, existe un límite para la diferencia de
presiones entre la entrada y la salida. Si la presión excede
este límite, el solenoide será incapaz de mover al émbolo,
dejando a la válvula sin capacidad de actuación. Si se
requiere de un gran MOPD, la fuerza que deberá ejercer el
campo sobre el émbolo deberá ser grande. De esta manera,
será necesaria una gran bobina, aumentando los costos de
construcción de la válvula. Debido a lo anterior, las válvulas
Figura 4: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada
de dos vías y pistón flotante
Existen tres tipos básicos de válvulas operadas por
piloto:
•
Pistón Flotante.
•
Diafragma Flotante.
•
Diafragma Capturado.
Los tres tipos de válvulas operan con el mismo
principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es
atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio
piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba del
pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto,
creando así un desbalance de presión a través del pistón o
diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a la
superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del
puerto principal.
Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolo
cae y el vástago de aguja cierra el orificio piloto, provocando
la igualación de las presiones sobre y bajo el pistón o
diafragma, los cuales caen para cerrar el puerto principal. En
la Figura 5 es posible apreciar un diseño de válvula solenoide
idéntico al de la Figura 4, sólo que ésta posee un diafragma
flotante en vez de un pistón.
Es usual observar en válvulas de tamaño mediano, que
el orificio piloto se localiza encima del pistón o del
diafragma. En válvulas grandes, donde es mayor el
movimiento del diafragma o pistón, es frecuente ubicar el
orificio piloto en un punto alejado del dispositivo móvil, por
cuestión de diseño práctico. Se aprecia en la Figura 6 como la
válvula solenoide piloto no hace contacto con el pistón, sino
que maneja la presión que afecta a este a través de sus
conexiones a la línea y a la cámara piloto. De esta manera,
cuando la solenoide piloto está desenergizada, se acumula
presión alta en la cámara piloto, provista a través de una
conexión de alta presión, forzando la clausura del pistón. Al
energizarse el solenoide, se libera la presión de la cámara
piloto y se igualan las presiones, haciendo que el resorte
levante el pistón y abra la válvula. Estas válvulas son
conocidas también como “operadas por piloto externo”,
dejando para las válvulas anteriores la denominación de
“operadas por piloto interno”.
Ello exigiría una mayor fuerza magnética, lo que implica un
gasto excesivo en una bobina del tamaño adecuado.
Es por esto que en aplicaciones de actuación en
presencia de presiones mayores, se utilizan las válvulas de
solenoide operadas por piloto. El objetivo de la actuación, la
apertura del orificio piloto, es que sea realizada con el menor
esfuerzo posible. Sin embargo, en las válvulas operadas por
piloto es necesario un diferencial de presión específico una
vez que el orificio piloto ha permitido la igualación de las
presiones de entrada y salida. Este MinOPD es requerido
para levantar al pistón o diafragma del puerto principal.
Es importante señalar que las válvulas operadas por
piloto, al igual que las de acción directa, deben evitar exceder
su MOPD, para lograr un flujo adecuado dentro de la línea.
Variantes para Válvulas de Solenoide:
Figura 5: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada
de dos vías y diafragma flotante
Los principios de operación ya vistos se aplican a una
gran variedad de válvulas de solenoide, las cuales difieren
entre ellas según ciertas variantes mecánicas y de
construcción. Algunos ejemplos de estas variantes son:
•
Émbolos de Carrera Corta: Están rígidamente
conectados a la aguja. Éstos siempre serán utilizados en
válvulas de acción directa.
•
Émbolos de Carrera Larga: Dan un “golpe de martillo”
a la válvula al producirse la apertura.
•
Construcción interconectada mecánicamente de pistón
a émbolo: Se utiliza cuando no hay disponible una
presión diferencial que haga flotar el pistón. Esta
construcción permite que una válvula de solenoide
relativamente grande abra y permanezca en posición
abierta, con una mínima caída de presión a través de la
válvula. Se usa principalmente en trabajos con líneas de
succión.
•
Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte: Se
utilizan en puertos de diámetros grandes.
5.
Figura 6: Válvula operada por piloto externo, normalmente
cerrada de dos vías y pistón flotante
Al igual que las válvulas de acción directa, se deben
tener ciertas consideraciones sobre la relación entre las
presiones que afectan al pistón o diafragma. De esta forma,
las válvulas solenoide operadas por piloto requieren de una
mínima diferencia de presiones entre la entrada y la salida
para producir la apertura del puerto principal y mantener al
pistón o diafragma en posición abierta. Esta diferencia de
presiones es conocido como “Diferencial Mínimo de Presión
de Apertura”.
Diferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD):
Según se explicó, una válvula de acción directa no
puede actuar si las presiones de la tubería exceden su MOPD.
VÁLVULAS DE DOS VIAS
De acuerdo a su forma, las válvulas se pueden clasificar
según la cantidad de entradas y/o salidas que ella posee. De
esta manera, los tres tipos principales de válvulas son las de
dos, tres y cuatro vías.
La válvula de dos vías es el tipo de válvula solenoide
más común, ya que posee una conexión de entrada y una de
salida, controlando el flujo del fluido en una sola línea. Ya se
ha explicado en profundidad el funcionamiento de válvulas
de acción directa y operadas por piloto y pistón, por lo que
ahora se dará una reseña del funcionamiento de las válvulas
con diafragma flotante.
En la Figura 7 se aprecia una válvula operada por piloto,
normalmente cerrada y con diafragma flotante. Estas válvulas
poseen un orificio igualador que comunica la presión de la
entrada con la parte superior del diafragma, empujándolo
contra el asiento y manteniendo, de esta manera, cerrada la
válvula. El orificio piloto debe ser más grande que el orificio
igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraído
por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto,
produciendo la reducción de la presión arriba del diafragma,
igualándola con la de salida. El diferencial de presión
resultante a través del diafragma crea una fuerza que lo
levanta del puerto principal generando la apertura de la
válvula. Al desenergizar la bobina se cerrará el orificio
piloto, provocando que la presión de entrada se vaya por el
agujero igualador y se igualen las presiones sobre y bajo el
diafragma. De esta forma, el dispositivo se volverá a sentar y
se cerrará la válvula.
Otra especificación de las válvulas de solenoide
corresponde a agruparlas según su construcción, ya fuera
como normalmente abierta o normalmente cerrada.
Básicamente, para el caso de las válvulas solenoide la
especificación dependerá del sentido en que actúe la fuerza
de la bobina sobre el émbolo. Para la válvulas de acción
directa, en los casos en que la aplicación de energía a la
bobina abra el puerto principal se hablará de una situación
normalmente cerrada, ya que este será el estado de la válvula
desenergizada. Esto se aprecia en la Figura 8.
En cuanto a las válvulas operadas por piloto, será
normalmente abierta cuando el solenoide deba ser energizado
de tal forma que produzca un desequilibrio de presiones para
forzar el cerrado del pistón o diafragma. En algunos casos, la
válvula estará normalmente abierta gracias a un resorte que
forzará la apertura del pistón y ejercerá una fuerza opuesta a
la del émbolo. Se observa un válvula normalmente abierta en
la Figura 9.
La ventaja de las válvulas normalmente abiertas radica
en que permanecerán abiertas en caso de fallas en el sistema
eléctrico, algo necesario en algunos casos. Estas válvulas con
utilizadas especialmente en labores que requieren que haya
un flujo de fluido la mayor parte del tiempo.
Figura 8: Válvula de acción directa, normalmente abierta de
dos vías.
Figura 7: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada
de dos vías y diafragma flotante.
Figura 9: Válvula operada por piloto, normalmente abierta de
dos vías y diafragma flotante.
6.
VÁLVULAS DE TRES VIAS
Las válvulas de tres vías tienen una conexión de entrada
que es común a dos conexiones de salida distintas, como la
que se muestra en la Figura 10. Las válvulas de tres vías son,
básicamente, una combinación de la válvula de dos vías
normalmente cerrada y de la válvula de dos vías
normalmente abierta, en un solo cuerpo y con una sola
bobina. La mayoría de estas válvulas son operadas por piloto.
válvula reversible, mientras los puertos D y 2 mantienen el
flujo del fluido principal a través del deslizante de la válvula
de cuatro vías.
Figura 11: Válvula Solenoide de Cuatro Vías operada por
piloto externo.
Figura 10: Válvula Solenoide de Tres Vías operada por piloto
externo
Veamos su funcionamiento. Al estar la bobina
desenergizada, con el orificio piloto clausurado, en la parte
superior del ensamble del pistón se tiene una presión P1, la
cual llega a través de la conexión piloto externa que se
observa a la derecha y arriba de la figura. La parte inferior
del pistón se encuentra directamente expuesta a la presión de
la entrada, P2, produciéndose una diferencia de presiones P2
- P1 que levanta el pistón. Esto permite el flujo de fluido
desde la entrada hacia la salida inferior, ya que cierra el
puerto para la salida lateral y lo abre para la salida de abajo.
Para producir el efecto de desviación, se debe energizar
la bobina, con lo cual se levanta el émbolo y la aguja destapa
el orificio piloto. De esta forma, se permite el paso del fluido
presente en la entrada a través del tubo capilar y hacia la
parte superior del ensamble del pistón. Así, se consigue una
igualación de las presiones sobre y bajo el pistón, el cual es
finalmente empujado hacia abajo por un resorte ubicado
sobre éste. Se tendrá entonces que el puerto lateral se abre y
el inferior se cierra, con lo que flujo se moverá hacia la salida
lateral.
7.
Cuando el solenoide piloto se energiza, atrae hacia
arriba el pistón y produce la comunicación entre los puertos
A con D1 y los puertos B con S1. Esto produce una
acumulación de la alta presión de la línea de entrada en la
sección inferior del deslizante principal, mientras que la
sección superior está expuesta a presión relativamente baja
del canal S. Con esto, el deslizante principal es empujado
hacia arriba, producto de la fuerza que aparece dada la
diferencia de presiones en los extremos del deslizante.
Finalmente, el flujo principal será sido desviado desde D
hacia 1 y la válvula reversible ahora comunicará los puertos
S y 2.
VALVULAS DE CUATRO VIAS
Estas válvulas solenoide son conocidas comúnmente
como válvulas reversibles, cuya forma más usual se aprecia
en la Figura 11. Éstas poseen una entrada y tres salidas.
El funcionamiento de la válvula de cuatro vías se detalla
en las Figuras 12 y 13, según el estado energético de la
bobina. Cuando la bobina de la válvula piloto se encuentra
sin energía, el pistón deslizante está posicionado de tal forma
que conecta los puertos B con D1 y S1 con A. De esta forma,
la sección superior del deslizante principal está acumulando
la presión alta presente en la línea de descarga D. Por otro
lado, la parte inferior del deslizante, provisto de un sello que
lo aísla de la sección superior, se encuentra expuesta a la
presión baja de la línea de succión S. Con esto, se genera un
desbalance de presiones en el deslizante principal que
provoca la fuerza que lo mantiene en su posición “abajo”. En
estas condiciones, se comunican los puertos S y 1 a modo de
Figura 12: Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Vías
con bobina piloto desenergizada.
9.
SELECCIÓN
SOLENOIDE
DE
UNA
VÁLVULA
DE
Al momento de elegir una válvula, debemos tomar en
cuenta los siguientes puntos:
1.- Fluido a controlar (características de viscosidad y pH)
2.- Rangos de Presión con los que se desea trabajar (MOPD y
MinOPD)
3.- Temperatura del fluido (y del medio externo).
4.- Tipo de cañería o conexión (tamaño y estilo).
5.- Características eléctricas de la válvula (rangos de voltaje
con que trabaja; CC o AC)
6.- Opciones específicas para la aplicación:
Normalmente abierta o cerrada.
Presión segura de trabajo (SWP)
Con o sin vástago manual, etc.
Figura 13: Operación de Válvula Solenoide de Cuatro Vías
con bobina piloto energizada.
8.
MATERIALES
UTILIZADOS
CONSTRUCCIÓN
EN
SU
Con el objetivo de lograr escoger una válvula adecuada
para cada aplicación, es necesario tener en cuenta los
materiales utilizados en su construcción. De esto dependerá
el tipo de trabajo que deberá desempeñar.
Los materiales utilizados se escogen con el fin de ser
compatibles con el tipo de fluido, lograr la máxima
confiabilidad y tiempo de vida útil y minimizar sus costos. A
continuación se detallan algunos materiales usados en cada
componente de una válvula de solenoide:
Cuerpo de la válvula:
En fluidos neutros se utiliza bronce o lata. Para fluidos
a altas temperaturas (o vapor por ejemplo) se usa acero o
acero inoxidable (más resistente a la corrosión). En algunas
aplicaciones, con el objetivo de disminuir los costos, se
utilizan materiales plásticos o PVC (por ejemplo).
Cabe destacar que, al momento de dimensionar la
válvula, se debe tener en cuenta la cantidad de flujo a
controlar, más que el ancho de la tubería. En este sentido, es
recomendado consultar las especificaciones del fabricante
para cada válvula.
Para válvulas de acción piloto, es vital que durante todo
el proceso la presión en las líneas esté dentro de los rangos de
MOPD y MinOPD. Si no se cumple este requerimiento, la
válvula no podrá controlar el flujo en todo momento. Para
válvulas de acción directa, sólo debemos tomar en cuenta que
la diferencia de presiones entre la entrada y la salida sea
menor a MOPD.
Como una consideración de seguridad, tampoco se
debe usar válvulas con SWP menor al máximo de presión
esperado en las líneas.
Es importante también tener en cuenta el tipo de
líquido con el que se trabaja, de forma de utilizar válvulas
cuyos materiales de construcción sean compatibles con cada
aplicación.
Desde luego, es necesario tener en cuenta el tipo de
alimentación con que trabaja la válvula (Rango de Voltaje y
Frecuencia). No cumplir con estos rangos puede causar daño
permanente en la bobina inutilizando la válvula. En este
sentido, a modo de sugerencia, se recuerda que no es
conveniente polarizar la bobina del solenoide al mismo
tiempo que se conecta a la alimentación un motor de gran
potencia (bobina) dado que este causa variaciones
importantes en el nivel de voltaje aplicado al solenoide.
Bobina:
La bobina se construye en general a partir de
conductores de cobre aislados. La zona del émbolo móvil que
entra en contacto con el fluido, por lo general corresponde a
acero inoxidable. Des esta manera se logra resistencia a la
corrosión.
Materiales sellantes:
Los factores que intervienen en la elección de este
material son las condiciones de temperatura, químicas y
mecánicas de cada aplicación en particular. Para fluidos
neutros con temperaturas bajas, por lo general se utiliza
Viton. Para trabajo con altas temperaturas se utiliza EPDM y
PTFE, materiales que ofrecen gran resistencia ante
condiciones adversas de temperatura y acidez.
Instalación de la válvula
Sobre la instalación de la válvula, cabe recordar que la
mayoría está diseñada para trabajar en líneas horizontales,
con la bobina en la parte superior. Existen válvulas,
equipadas con resortes, que permiten su instalación en
cualquier posición. Otra consideración relevante es que se
debe respetar la dirección del fluido en la instalación. Este
debe coincidir con la flecha que generalmente se encuentra
en el cuerpo de la válvula. También, es conveniente instalar
un filtro antes de la válvula, con el objetivo de filtrar
partículas extrañas.
10. APLICACIONES
Las válvulas de solenoide tienen múltiples aplicaciones,
dada su versatilidad como actuador en controles on-off. Se
expondrán dos aplicaciones simples donde la válvula
solenoide juega un papel importante.
Control de Nivel de Líquido
Si desean manipular el nivel de líquido dentro de un
estanque o recipiente, se puede colocar una válvula de
solenoide para líquido, seguida de una válvula de expansión
manual. La línea de líquido conduce a un recipiente o
tambor, en el cual el nivel de fluido está controlado por un
interruptor de flotador, como se muestra en la Figura 14. La
válvula de solenoide para líquido es accionada por el
interruptor del flotador. Cuando el nivel del líquido baja a un
nivel predeterminado, el interruptor abre la válvula. Al
alcanzarse el nivel deseado, el interruptor cierra la válvula.
También se puede obtener la acción inversa intercambiando
el sentido de la apertura de la válvula en relación al nivel
máximo y mínimo
Bombas de Calor
Una bomba de calor es un equipo central
acondicionador de aire, con ciclo reversible. En el verano, el
refrigerante absorbe calor del interior de la casa y lo expulsa
al exterior. En el invierno, el ciclo se invierte, el refrigerante
absorbe calor del exterior y lo libera dentro de la casa. El
condensador y el evaporador son obligados a intercambiar
funciones, invirtiendo el flujo de refrigerante. Para realizar
este proceso se utilizará una válvula de cuatro vías.
En la Figura 15, el sistema está en el ciclo de
calefacción, con el gas de descarga fluyendo a través de los
puertos de la válvula reversible "D" a "2", haciendo que el
serpentín interior funcione como condensador. El gas de
succión fluye del serpentín exterior (evaporador), a través de
los puertos de la válvula reversible "1"a "S", y de regreso al
compresor.
En la Figura 16, el sistema ha cambiado ahora el ciclo
de enfriamiento, y el gas de descarga fluye a través de los
puertos de la válvula reversible "D" a "1", haciendo que el
serpentín exterior funcione como condensador, el gas de
succión funcione a través de los puertos "2" a "S", y el
serpentín interior es el evaporador.
Figura 14: Control de Nivel de Líquido.
Figura 15 Ciclo de Calefacción.
Figura 16 Ciclo de Enfriamiento.