Cómo aplanar la curva de caudal de un regulador de presión en aplicaciones de alto caudal

La curva de caudal de un regulador de presión ilustra el rango de presiones de salida (eje vertical) que el regulador mantendrá frente a diferentes demandas de caudal del sistema (eje horizontal). Idealmente, lo que queremos es operar el regulador en la parte más plana (más horizontal) de la curva, que es donde mantendrá relativamente constante la presión incluso con cambios significativos en el caudal.

Desafortunadamente, la curva de caudal de un regulador de presión experimentará siempre una cierta caída o inclinación. La Figura 1 representa cuatro curvas de caudal, y al leerlas de izquierda a derecha, su pendiente hacia abajo la definimos como ‘droop’ o caída de presión. En la parte más a la derecha de cada curva podemos observar que hay una zona donde la presión cae de forma muy abrupta. El punto en el que la presión empieza a caer rápidamente y hasta que la presión se aproxima casi a cero, define una zona llamada ‘choked – flow area’ (área de caudal sónico). Debemos evitar operar el regulador dentro de esta zona porque no se comporta de forma eficiente, generándonos grandes caídas de presión aguas abajo. Si nuestras condiciones de servicio nos llevan a esta zona de la curva, deberemos considerar la utilización de otro diseño de regulador o bien uno de mayor tamaño.

Sin embargo, si operamos el regulador en la parte funcional de la curva (antes de la zona de caudal sónico), conseguimos disminuir el droop y una curva más plana para un amplio rango de caudales, expandiendo así las capacidades del regulador. Usando un regulador de muelle como punto de partida (figura 2), en este artículo exploraremos las siguientes configuraciones:

- Regulador pilotado con regulador piloto (figura 3).

- Regulador pilotado con regulador piloto y retroalimentación externa aguas abajo al regulador principal (figura 4).

- Regulador pilotado con regulador piloto y retroalimentación al regulador piloto (figura 5).

Estas configuraciones ofrecen respectivamente un buen, mejor y óptimo rendimiento cuando se trata de mantener la presión de salida de una forma consistente y por lo tanto, ofrecen curvas de caudal progresivamente más planas para rangos de caudal más amplios.

Para este artículo, focalizaremos nuestra atención en una planta que dispone de un único punto de suministro de nitrógeno para múltiples procesos. Supondremos también que estos procesos no están operando constantemente, por lo que la demanda de caudal fluctuará a lo largo del día. Si la planta tuviera que emplear un regulador de muelle para esta función, un incremento de caudal provocaría una caída de presión (droop) y por el contrario, una caída en la demanda, implicaría un incremento o punta de presión. Ambos cambios de presión requerirán frecuentes ajustes manuales del regulador o bien reguladores adicionales de punto de uso. En lugar de esto, la planta puede decidir usar un regulador pilotado que permite un control dinámico de la presión sin ajustes manuales, y proporcionará una presión de salida más estable frente a las variaciones de la demanda de caudal.

En un regulador pilotado, el volumen de gas a presión de la cámara de pilotaje sustituye la función del muelle de un regulador de muelle (figura 6a). La cámara se presuriza ligeramente por encima de la presión de salida requerida. Esta presión constante nos genera una fuerza sobre el diafragma. Si esta fuerza es superior a la creada por la presión de salida en la parte inferior, el obturador abrirá. Cuando las presiones se igualan, la presión de salida crea una fuerza en la parte inferior el diafragma y el obturador cierra (figura 6b y 6c).

La figura 1 muestra las curvas de caudal de los cuatro reguladores que se pueden usar en esta aplicación, todos con presión de salida ajustada a 20bar (290psig). La primera curva representa el regulador de muelle como punto de partida de la comparación. Las curvas restantes representan tres posibilidades de uso del regulador pilotado. Como veremos, añadiendo algunos componentes externos y cambios de diseño interior al regulador pilotado, conseguiremos un ajuste dinámico de la presión de la cámara de pilotaje para mejorar el rendimiento del regulador.

En esta configuración empleamos un regulador pilotado que responde a las fluctuaciones de presión permitiendo que la presión en la cámara de pilotaje se mantenga constante para un amplio rango de caudales del sistema. Este comportamiento se consigue añadiendo un regulador piloto responsable de controlar la presión de la cámara de pilotaje, así como un lazo de salida para permitir el alivio de los excesos de presión en la misma (figura 3). Este ajuste permite un control dinámico de la presión de la cámara que ayudará a mantener la consigna inicial de presión de salida.

La alimentación del regulador piloto se realiza desde la propia línea de nitrógeno. Conectando la cámara de pilotaje con la salida a través de la línea de purga, la presión interior se mantendrá constante en 20bar. Cuando la presión aguas abajo caiga por debajo de los 20bar, la presión de la cámara también caerá pero el regulador piloto lo compensará aumentando la presión de nuevo hasta los 20bar de consigna inicial. Por el contrario, si la presión aguas abajo aumenta, el regulador pilotado lo compensará cerrando su orificio. Esta situación implicará un aumento de la presión de la cámara de pilotaje, siendo entonces el regulador piloto quien reduce su orificio y ventea el exceso de presión de la cámara de pilotaje, hacia la línea principal aguas abajo. Estas acciones permiten a ambos reguladores volver a la presión de ajuste inicial.

La segunda curva de caudal de la figura 1 ilustra la mejora en comportamiento del regulador pilotado más regulador piloto en comparación con un regulador de muelle. El muelle ajustado de un regulador de muelle, pierde fuerza cuando se alarga empujando el obturador para abrir el orificio. Esta situación provoca una caída de la presión de salida (droop). Con el control dinámico de la presión de la cámara de pilotaje que proporciona el regulador piloto, la zona de uso de la curva de caudal crece en comparación con el regulador de muelle. Dependiendo de la especificidad de la aplicación, esta configuración (de rendimiento bueno) se podrá usar en sistemas que experimenten incrementos de caudal sin tener que preocuparnos de significativas caídas de presión. Pero, podemos hacerlo mejor.

En nuestra segunda mejor configuración añadiremos una línea de retroalimentación para permitir compensar al regulador pilotado las caídas de presión aguas abajo. Usando el mismo regulador piloto y lazo de salida de la configuración anterior, incorporaremos un tubo aguas abajo que nos proporciona retroalimentación a la zona sensible del regulador pilotado (figura 4). Esta configuración nos aplanará la curva.

En la zona aguas abajo de nuestro sistema, la presión caerá ligeramente después que el fluido salga del regulador pilotado. Por ejemplo, si la presión inicial de salida es de 20bar, puede ser de 19bar a una pequeña distancia del regulador. Una línea de retroalimentación, localizada a corta distancia del regulador (usualmente entre 5 y 10 veces el diámetro del tubo de salida) dirigirá esta baja presión a la zona sensible del regulador pilotado. Aquí, el diafragma del regulador detecta la presión de 19bar y abre un poco más el obturador del regulador para incrementar la presión de salida. Como resultado, el regulador responde dinámicamente y de forma más precisa que si usamos un ajuste estático.

Mirando la tercera curva de la figura 1, advertimos que es más plana en esta configuración. Recordemos que estamos usando el mismo regulador pilotado con modificaciones en la zona sensible, ajustado a la misma presión de salida para la segunda, tercera y cuarta curvas. Podemos ver también, que el caudal operativo del regulador antes de llegar a la zona de caudal sónico, ha crecido. Sin embargo, todavía podemos hacerlo mejor.

La tercera configuración, nuestra mejor opción, permite al regulador piloto hacer ajustes de presión altamente precisos en la cámara de pilotaje del regulador pilotado, según la presión real aguas abajo. De la misma forma que en la configuración anterior, este diseño utiliza un regulador piloto, un lazo de salida para aliviar el exceso de presión de la cámara y una línea de retroalimentación exterior. En esta configuración, sin embargo, la línea de tubo de retroalimentación nos lleva la señal directamente al regulador piloto (figura 5). Con los ajustes realizados en la fuente de control de presión primaria - el regulador piloto - esta configuración mantiene de forma muy precisa el control de la presión aguas abajo y ofrece una curva de caudal muy plana para un rango muy amplio de caudales.

Considerando este ejemplo, la presión de salida para del regulador piloto se ajusta inicialmente a 20bar, lo que quiere decir que la presión de la cámara de pilotaje del regulador pilotado es ligeramente superior. Aguas abajo del regulador pilotado, la presión cae hasta 19bar. Esta menor presión se envía directamente al regulador piloto a través de la línea exterior de retroalimentación. Como respuesta, el regulador piloto aumenta la presión en la cámara de pilotaje del regulador pilotado, resultando la necesaria corrección de la presión de salida. Ambos reguladores, el piloto y el pilotado, se ajustan dinámicamente para permitir que la presión en el lazo de retroalimentación exterior aguas abajo se mantenga en 20bar.

Esta configuración crea un lazo que permite ajustes constantes y automáticos para estabilizar el sistema en la presión de consigna deseada para un rendimiento óptimo. Los resultados son evidentes en la cuarta curva de caudal en la figura 1, la cual es muy plana -sin casi caída de presión- para un extremadamente amplio rango de caudales. Este sistema no experimentará caudal sónico hasta que los caudales alcancen valores muy altos.

La única manera de conseguir una curva de caudal incluso más plana -casi perfectamente horizontal- es reemplazar el regulador piloto manual de esta configuración por un regulador piloto controlado electrónicamente. Un sensor electrónico conectado al regulador podría hacer múltiples ajustes de presión por segundo ofreciendo una curva de caudal extremadamente plana. Sin embargo, el control electrónico es a menudo no deseado debido a la necesidad de alimentarlo y consideraciones de seguridad. Un sistema utilizando un regulador piloto manual con retroalimentación directamente al regulador piloto proporciona unos resultados muy similares sin añadir componentes electrónicos, cables ni fuentes de alimentación.

Las aplicaciones de caudales elevados habitualmente requieren el uso de reguladores con curvas de caudal muy planas, aptas para un amplio rango de caudales. A veces, un simple regulador pilotado aportará los parámetros requeridos para la aplicación. Sin embargo, puede ser necesario añadir una variedad de componentes al sistema para ampliar las capacidades del regulador. Los sistemas que proporcionan presión de retroalimentación aguas abajo a un regulador piloto aguas arriba ofrecen habitualmente el mejor rendimiento. No se puede conseguir una curva ideal de caudal perfectamente plana para un infinito rango de caudales, pero es bueno saber que hay maneras de mejorar las capacidades de un regulador pilotado, para conseguir curvas muy planas para un amplio rango de caudales.

Referencias

Para lo fundamental en la interpretación y lectura de las curvas de caudal, ver ‘Pressure Regulator Selection Strategy. How to Use a Flow Curve to Ensure Effective Regulator Specification’, Flow Control, agosto 2011.

Acerca del autor: Michael D. Adkins - Manager, Field Engineering and Pressure Regulators, Swagelok Company

Mike se unió a Swagelok en 1994. En su actual rol supervisa el equipo de ingenieros de campo, ingenieros dedicados a proporcionar el soporte técnico directo a los clientes sobre el terreno. También dirige la línea de producto de reguladores de presión para Swagelok, donde evalúa las necesidades del mercado y desarrolla estrategias de producto, posicionamiento y precio. Con anterioridad a este rol, prestó sus servicios como supervisor de desarrollo de nuevos productos, supervisor de control de calidad, jefe de proyecto e ingeniero de fabricación.

Mike es licenciado en ingeniería de tecnología mecánica por la Universidad de Dayton y tiene un master en dirección y administración de empresas por la John Carrol University.