¿Qué son las válvulas solenoides? ¿Cómo funcionan?

08 de agosto de 2023

1: ¿Qué son las válvulas solenoides?

Una válvula solenoide Es una válvula de apertura/cierre electromecánica que consta de un actuador electromagnético (solenoide) y un cuerpo de válvula. El conjunto solenoide-émbolo es el actuador de la válvula, responsable de abrir y cerrar la válvula. Este actuador puede configurarse de tal manera que la acción del émbolo solo abra o cierre. No existe una posición intermedia, por lo que un solenoide no puede regular el flujo. El cuerpo de la válvula está formado por las piezas que contienen presión y están en contacto con el fluido del proceso.

El solenoide convierte la energía eléctrica en una acción mecánica de tracción/empuje. Consiste en una bobina de alambre enrollada firmemente alrededor de un núcleo de hierro y un tapón o émbolo ferromagnético. Los componentes varían según el diseño. Al pasar una corriente eléctrica por la bobina, se genera un campo magnético. Las líneas de campo magnético pueden imaginarse como una serie de círculos con la dirección de su eje de corriente. En el caso de una corriente que fluye a lo largo de una bobina en bucle, los círculos se combinan formando el campo magnético que se muestra a continuación.

Campo magnético del solenoide

Añadir más bucles aumentará la cantidad de líneas de campo magnético o flujo. Esto incrementa la fuerza electromagnética del solenoide, lo que también implica mayor fuerza para accionar la válvula.

Otra forma de aumentar la fuerza de atracción es aumentar la corriente que fluye a través de la bobina. Esto se logra incrementando la tensión de alimentación del solenoide. Las válvulas solenoides pueden funcionar con CC o CA. Las tensiones comunes de CC son 6, 12, 24 y 240 voltios; mientras que las de CA a 60 Hz son 24, 120, 240 y 480 voltios.

Electroválvulas proporcionales
Las válvulas solenoides proporcionales son un tipo especial que proporciona una variación suave y continua del caudal o la presión en respuesta a la entrada eléctrica. Este tipo se clasifica como válvula de control. Para que una válvula solenoide se convierta en proporcional, es necesario controlar la posición del émbolo. Esto se consigue equilibrando el émbolo mediante una fuerza externa, generalmente ejercida por un resorte. El resorte se comprime hasta que la fuerza externa es igual a la fuerza electromagnética del solenoide. Si es necesario controlar la posición del émbolo, se debe modificar la corriente, lo que genera un desequilibrio en la fuerza sobre el resorte. El resorte se comprime o estira hasta que se establece el equilibrio de fuerzas.

Un problema con este tipo de válvula es el efecto de la fricción. Esta altera el equilibrio uniforme de las fuerzas electromagnéticas y del resorte. Para contrarrestar este efecto, se utiliza un control electrónico especial. Un método común para el control proporcional de las válvulas solenoides es la modulación por ancho de pulso (PWM). La aplicación de una señal PWM como entrada de control provoca que el solenoide se active y desactive sucesivamente a un ritmo muy rápido. Esto produce una oscilación del émbolo, que lo estabiliza. Para cambiar la posición del émbolo, se controlan los estados de activación y desactivación del solenoide, también denominado ciclo de trabajo.

A diferencia de las válvulas solenoides de encendido y apagado comunes, las válvulas solenoides proporcionales se utilizan en aplicaciones donde se requiere un control de flujo automatizado, como actuadores neumáticos proporcionales, válvulas de mariposa, controles de quemadores, etc.

Una válvula solenoide proporcional

2: Componentes de la válvula solenoide
Una válvula solenoide, como se mencionó anteriormente, se divide en dos partes principales: el solenoide y el cuerpo de la válvula. El solenoide es solo un tipo en una variedad de actuadores, como manuales, neumáticos, hidráulicos, etc. Los solenoides tienen diferentes partes según el tipo de acción requerida. Los componentes del cuerpo de la válvula, por otro lado, son los mismos para todas las válvulas, pero con diferentes diseños y materiales. A continuación, se enumeran los componentes generales del solenoide y del cuerpo de la válvula.

Piezas de la válvula solenoide

Bobina
La bobina es uno de los componentes principales del solenoide y consiste en un cable de cobre aislado enrollado firmemente alrededor de un tubo central. Como se describió anteriormente, se genera un campo magnético al aplicar corriente.

Nuestras
El núcleo, también conocido como armadura o émbolo, es la parte móvil de un solenoide. Este es un metal magnético blando; blando, es decir, un metal ferromagnético que se magnetiza y desmagnetiza fácilmente en campos magnéticos bajos. Cuando la bobina se energiza, generando un campo magnético, el núcleo es atraído, lo que abre o cierra la válvula.

Resorte de núcleo
El resorte del núcleo devuelve el núcleo a su posición original al retirarse el campo magnético. El diseño y la configuración del resorte del núcleo en el conjunto del solenoide varían según el funcionamiento de la válvula. En algunos diseños, como las válvulas solenoides de tipo latch, no se utilizan resortes para generar el retorno.

Tubo de núcleo
El tubo central es donde se enrolla la bobina. Este también actúa como un núcleo magnético blando que mejora el flujo magnético generado por la bobina.

Núcleo fijo

Se instala en el extremo cerrado del tubo central, lo que también mejora el flujo magnético. El material es un metal magnético blando.

Sección transversal del solenoide

Diafragma
El diafragma es un material flexible que aísla el conjunto del solenoide del fluido. Está diseñado para contener la presión del fluido.

Potencias
El vástago es la parte de la válvula donde se fija el núcleo o émbolo. A medida que la bobina atrae el núcleo, el vástago se mueve con él, accionando la válvula.

Disco
El disco bloquea el flujo de fluido cuando la válvula está cerrada. En algunos diseños de electroválvulas, se utilizan diafragmas, fuelles o dispositivos de presión en lugar de un disco para bloquear el flujo de fluido. Según la aplicación, el disco suele estar fabricado con materiales resistentes a la corrosión y la erosión, como PTFE o acero inoxidable.

Asiento
El asiento es el orificio que presiona contra el disco al cerrar la válvula. Al igual que el disco, el asiento puede no estar presente según el diseño de la válvula. El asiento también está hecho de material resistente a la corrosión y la erosión. Una vez que el asiento o el disco se dañan, la válvula pierde el paso y no puede detener el flujo.

Seal
El sello, al igual que el diafragma, aísla el conjunto del solenoide y el entorno externo del fluido. Según la aplicación y el fluido del proceso, existe una variedad de materiales de sello disponibles, como PTFE, FKM, NBR y EPDM.

Tamaño español
El bonete de la válvula se asienta en la parte superior del cuerpo de la válvula. El tubo central y el vástago se extienden a través del bonete hasta el interior de la válvula.

Cuerpo
El cuerpo es la parte principal de la válvula que contiene el diafragma, el disco, el asiento y los puertos de entrada y salida.

Orificio de purga
En las electroválvulas de acción indirecta o semidirecta, se instala un orificio de purga en el diafragma. Algunos diseños de válvulas utilizan un orificio de ecualización. El orificio de purga permite que la válvula utilice la presión de la línea para abrirla o cerrarla.

Canal piloto
Las válvulas solenoides de acción indirecta incluyen un canal piloto en el cuerpo de la válvula. Por aquí fluye el fluido desde la parte superior del diafragma hacia el lado aguas abajo de la válvula.

Tipos de funcionamiento de las válvulas solenoides
Las válvulas solenoides se describen según su modo de actuación y el número y la dirección de las vías de flujo. Este capítulo analiza las primeras: de acción directa, de pilotaje interno y de pilotaje externo.

Acción directa
Con este tipo de válvula solenoide, las fuerzas de presión estática aumentan a medida que aumenta el tamaño del orificio. El aumento de la presión estática requiere una acción del solenoide más fuerte; por lo tanto, un campo magnético más intenso. Esto significa que, para una presión de fluido dada, mayores caudales requieren solenoides más grandes. La presión y el caudal del fluido se vuelven entonces directamente proporcionales al tamaño requerido del solenoide. Este tipo de válvula solenoide se utiliza generalmente para aplicaciones con caudales y presiones de operación bajos.

Válvula solenoide de acción directa

Pilotado internamente
Para aplicaciones de alto caudal y alta presión, se utilizan válvulas solenoides con piloto interno. En este tipo de válvula, la presión a través de ella la abre o la cierra. Para ello, se instala un orificio o un orificio de ecualización. El diseño habitual implica que el núcleo bloquee el flujo en el orificio. Cuando la válvula está cerrada, el fluido pasa a través del orificio y se acumula presión a ambos lados del diafragma. Mientras el flujo de fluido esté bloqueado, se crea una fuerza de cierre debido a la mayor área efectiva en la parte superior del diafragma. Al abrir la válvula, el núcleo abre el orificio y se libera la presión desde la parte superior del diafragma. La presión de la línea abre entonces la válvula.

Válvula solenoide pilotada internamente

Pilotado externamente
Este tipo de válvula aplica el mismo concepto que las válvulas de pilotaje interno, pero la presión utilizada para accionarla proviene de un fluido externo. Un circuito de fluido independiente está integrado en la válvula mediante un puerto adicional.

Las válvulas solenoides pilotadas internas y externas se denominan válvulas indirectas o servoasistidas, donde la fuerza de accionamiento principal proviene de la presión diferencial entre aguas arriba y aguas abajo de la válvula.

Actuación semidirecta
La acción semidirecta combina los principios de las válvulas de acción directa e indirecta. Además de la fuerza magnética del solenoide, la diferencia de presión a través de la válvula facilita su apertura o cierre. Al accionar el émbolo, el diafragma se eleva para abrir la válvula. Simultáneamente, se abre un orificio que alivia la presión sobre el diafragma. Al cerrar este orificio con el émbolo, se genera una mayor presión sobre el diafragma, cerrando la válvula.

4: Diferentes funciones del circuito de la válvula solenoide
Las válvulas solenoides también se caracterizan por su trayectoria de flujo o función de circuito. Pueden abrir, cerrar, distribuir o mezclar fluidos, según lo define esta categoría. Para comprender mejor las funciones del circuito de solenoides, primero es necesario revisar los símbolos estandarizados de las válvulas solenoides.

La ISO, u Organización Internacional de Normalización, es una federación mundial de organismos de normalización. En colaboración con la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional), creó una norma de símbolos y reglas para el diseño de símbolos de fluidos para su uso en componentes y diagramas de circuitos. Esta norma es la ISO 1219.

Símbolo ISO para sistemas de fluidos

En el símbolo superior, los recuadros verdes representan el número de posiciones de la válvula. Las flechas, por otro lado, indican la dirección del flujo. La flecha azul significa flujo presurizado, mientras que la roja significa escape. Las líneas T moradas son los puertos cerrados.

Los siguientes son los tipos comunes de válvulas solenoides según la función del circuito.

Válvulas solenoides de dos vías
Este tipo de válvula solenoide tiene un puerto aguas arriba y otro aguas abajo, y se utiliza para bloquear o permitir el flujo de fluido. La válvula solenoide puede configurarse como normalmente abierta o normalmente cerrada; el estado normal significa que está desenergizada. Una válvula normalmente abierta se abre cuando está desenergizada y se cierra cuando está energizada. Lo contrario ocurre con las válvulas normalmente cerradas.

Válvulas solenoides de acción directa de 2 vías

Válvula solenoide de 2 vías, normalmente cerrada

Válvulas solenoides de tres vías
Las válvulas solenoides de tres vías tienen tres puertos: entrada (puerto de presión), escape y salida (puerto del actuador). Se utilizan para aplicar y descargar presión alternativamente desde un actuador o equipo aguas abajo. Las válvulas solenoides de tres vías también pueden configurarse como normalmente abiertas y normalmente cerradas, con la adición de una función universal. En una válvula de tres vías normalmente abierta, cuando está desenergizada, el fluido fluye desde el puerto de entrada al puerto de salida, mientras que el puerto de escape está cerrado. Cuando está energizada, el puerto de entrada se cierra y el puerto de salida se conecta al puerto de escape. Lo contrario ocurre con las válvulas normalmente cerradas. La función universal, por otro lado, se utiliza para seleccionar la dirección del flujo de un puerto a otro.

Válvula solenoide de acción directa de 3 vías

Válvula solenoide de 3 vías normalmente cerrada

Válvulas solenoides de cuatro vías
Las válvulas solenoides de cuatro vías tienen cuatro puertos: entrada (puerto de presión), dos puertos de salida o actuador y un puerto de escape.

Tenga en cuenta que estos tipos de válvulas, ya sean de dos, tres o cuatro vías, pueden ser de acción directa o indirecta.

5: Materiales y construcción
Se deben considerar varios factores para seleccionar los materiales adecuados para el cuerpo y el sello de la válvula solenoide. Estos son el fluido de proceso, el entorno de aplicación y el costo. El fluido de proceso determina el material de los internos de la válvula o las partes húmedas de la válvula. Las propiedades del fluido que importan son el pH (básico o ácido), la temperatura y la presión. El entorno, por otro lado, determinará el material y la construcción de todo el cuerpo de la válvula y la carcasa del solenoide. Al igual que el fluido de proceso, el entorno puede ser corrosivo, como en plantas químicas y entornos con agua de mar. Además, el entorno puede ser peligroso en presencia de gases inflamables. Por último, está el costo. Cualquiera puede especificar una válvula de acero inoxidable con la mayor resistencia a la corrosión y durabilidad, pero no será rentable en la mayoría de los casos.

A continuación se enumeran los materiales comunes del cuerpo de la válvula y de las partes húmedas.

Acero inoxidable
El acero inoxidable ofrece alta resistencia a la corrosión, resistencia y durabilidad, incluso a altas temperaturas de funcionamiento. Sin embargo, el acero inoxidable puede corroerse por iones de cloruro, a menos que se utilice un acero inoxidable de mayor calidad.

Válvula solenoide de acero inoxidable de paso completo tipo "K"

Bronce
El bronce es una aleación de cobre y estaño. Es más resistente al agrietamiento que el hierro fundido y posee cierta resistencia a la corrosión.

Válvula solenoide de bronce de paso completo tipo "L"

Latón
El latón es una aleación de cobre y zinc. Es más resistente a la corrosión, duradero y maleable que el bronce.

Válvula solenoide de latón servoasistida

Hierro fundido
El hierro fundido ofrece una gran resistencia pero es propenso a agrietarse debido a su baja ductilidad.

Politetrafluoroetileno (PTFE)
El politetrafluoroetileno (PTFE) es un fluoropolímero termoplástico químicamente inerte a la mayoría de las sustancias. Este material también ofrece propiedades hidrofóbicas, lo que lo hace adecuado para aplicaciones químicas y de ultralimpieza.

Válvula solenoide de PTFE Submini

Poliamida (PA)
La poliamida (PA) ofrece buenas propiedades mecánicas comparables al PVC y resistente al agua salada.

Polipropileno (PP):
El polipropileno (PP) es un termoplástico que tiene propiedades mecánicas comparables al acero y al latón con mejor resistencia a ácidos, sales y álcalis.

Sulfuro de polifenileno (PPS)
El sulfuro de polifenileno (PPS) ofrece un buen rendimiento a altas temperaturas con una fuerte resistencia a los ácidos y álcalis.

El cloruro de polivinilo (PVC)
El cloruro de polivinilo (PVC) es adecuado para su uso en agua de mar, pero tiene menor resistencia y menor resistencia a bajas temperaturas que el latón y el cobre.

Fluoruro de polivinilideno (PVDF)
El fluoruro de polivinilideno (PVDF) es fácil de moldear y soldar. Este material también ofrece buena resistencia a ácidos y álcalis, pero no es apto para aplicaciones de alta temperatura.

6: Aplicaciones comunes
La principal ventaja de usar válvulas solenoides es su diseño compacto y su fácil control. Casi todas las industrias que requieren control remoto utilizan válvulas solenoides.

Circuitos neumáticos e hidráulicos
Las válvulas solenoides se utilizan para detener o permitir el suministro de aire o líquido (generalmente aceite o refrigerante) a lo largo de un circuito. Las aplicaciones comunes de esta categoría son los sistemas de refrigeración, compresión de aire y lubricación. A continuación se muestra un ejemplo de un circuito refrigerante.

Circuito de refrigeración

Automatización
Las electroválvulas se utilizan siempre que sea necesario controlar automáticamente el flujo de fluidos, como en robótica o automatización industrial. Estas electroválvulas se controlan mediante microcontroladores o circuitos lógicos programables con un conjunto de acciones codificadas. Este control del flujo de fluido permite que un robot ejecute una secuencia definida de acciones con precisión.

Brazo robotico

Actuadores de válvulas para plantas industriales y de fabricación
Para fluidos que no pueden ser controlados por electroválvulas, se utilizan comúnmente actuadores neumáticos, hidráulicos y motorizados. Sin embargo, debido a la facilidad de control mediante solenoides, estas se integran en actuadores neumáticos e hidráulicos. Las válvulas de control en plantas industriales suelen accionarse mediante un sistema de aire comprimido controlado por electroválvulas.

Válvula de mariposa con actuador neumático

Fabricación médica, farmacéutica y alimentaria
Las válvulas solenoides se utilizan comúnmente en equipos médicos como válvulas personalizadas para máquinas de diálisis, máquinas de anestesia y sistemas de ventilación. Las industrias farmacéutica y alimentaria utilizan válvulas solenoides que cumplen con los requisitos de higiene.

Conclusión
Una válvula solenoide es una válvula de accionamiento electromecánico que consta de un actuador electromagnético (solenoide) y un cuerpo de válvula. Las válvulas solenoides comunes son de dos posiciones. No existe una posición intermedia, por lo que el solenoide no puede regular el flujo.
Las válvulas solenoides proporcionales son un tipo especial de válvula solenoide que puede regular el caudal o la presión en respuesta a una entrada eléctrica. Para que una válvula solenoide se convierta en proporcional, la posición del émbolo se controla equilibrándolo mediante una fuerza externa, generalmente ejercida por un resorte.
Una válvula solenoide tiene dos partes principales: el solenoide, que es responsable de la apertura y el cierre de la válvula; y el cuerpo de la válvula, que contiene el fluido y su presión.
Las válvulas solenoides se clasifican según su funcionamiento, sus trayectorias de flujo o la función del circuito. Pueden ser de acción directa, pilotadas internamente, pilotadas externamente o semidirectas.
Las funciones del circuito de las válvulas solenoides son: de dos vías, que son las válvulas normales de apertura y cierre; de tres vías, que cuenta con un puerto de escape para aliviar la presión; y de cuatro vías, que se utiliza para desviar el flujo.
El cuerpo de la válvula puede fabricarse con diversos materiales. Factores como las propiedades del fluido, las características ambientales y el costo influyen en las especificaciones del material de la válvula.
Especificar las aprobaciones y certificaciones requeridas es una de las maneras de garantizar la compra de una electroválvula satisfactoria. El cumplimiento de las normas internacionales garantiza la seguridad y la calidad del producto.

Cómo funciona una válvula solenoide:

Estructura basica: Una válvula solenoide consta de dos componentes principales: un solenoide y un cuerpo de válvula. El solenoide es una bobina electromecánica de alambre enrollada alrededor de un núcleo. Cuando una corriente eléctrica pasa por la bobina, genera un campo magnético. El cuerpo de la válvula contiene un conducto de fluido con una entrada y una salida, e incluye un mecanismo de sellado que se abre y se cierra para controlar el flujo del fluido.
Control eléctrico: La electroválvula se controla mediante una señal eléctrica. Al aplicar una corriente eléctrica a la bobina, se genera un campo magnético que atrae un émbolo o armadura móvil ubicado dentro del solenoide. Este émbolo está conectado al mecanismo de la válvula en el cuerpo de la misma.
Abriendo la válvula: Cuando la corriente eléctrica fluye a través de la bobina, el émbolo es empujado hacia el núcleo del solenoide, creando una fuerza mecánica. Esta fuerza supera el resorte u otros mecanismos que mantienen la válvula cerrada, provocando su apertura. Como resultado, el fluido puede fluir a través de la válvula desde la entrada hasta la salida.
Cerrando la válvula: Al cortar la corriente eléctrica, el campo magnético se disipa y el resorte u otro mecanismo devuelve el émbolo a su posición original. Esto cierra la válvula e impide el flujo de fluido.

La velocidad de apertura y cierre de una electroválvula, así como la precisión de su control, se pueden ajustar variando la corriente aplicada a la bobina y el diseño de la propia válvula. Las electroválvulas se clasifican en dos tipos principales según su funcionamiento:

Normalmente cerrado (NC): En esta configuración, la válvula se cierra cuando no se aplica corriente eléctrica al solenoide. Al aplicar corriente, la válvula se abre.
Normalmente Abierto (NO): En esta configuración, la válvula está abierta cuando no se aplica corriente eléctrica. Al aplicar corriente, la válvula se cierra.

Las válvulas solenoides son valiosas por su rápido tiempo de respuesta y su capacidad de ser controladas de forma remota a través de señales eléctricas, lo que las convierte en componentes esenciales en varios sistemas automatizados que requieren un control preciso de fluidos.

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