VÁLVULAS SOLENOIDE
Introducción
Fig. Válvulas solenoide
En la mayoría de las aplicaciones de refrigeración es
necesario abrir o detener el flujo, en un circuito de
refrigerante, para poder controlar automáticamente el
flujo de fluidos en el sistema. Para este propósito,
generalmente se utiliza una válvula de solenoide operada
eléctricamente. Su función básica es la misma que una
válvula de paso operada manualmente; pero, siendo
accionada eléctricamente, se puede instalar en lugares
remotos y puede ser controlada convenientemente por
interruptores eléctricos simples. Son dispositivos diseñados para permitir el paso de aire o líquido a través de una cámara y gobernar la fuerza de su flujo. Estos dispositivos son diferentes de las válvulas normales en que tienen un menor número de partes de trabajo y actúan con la recepción de una corriente eléctrica. Actualmente, se utilizan en la mayoría de los automóviles, así como cualquier sistema hidráulico o sistema cerrado basado en gas que dependa de la regulación del gas o del paso de fluido. Las válvulas de solenoide
pueden ser operadas por interruptores termostáticos, de
flotador, de baja presión, de alta presión, por reloj, o
cualquier otro dispositivo que abra o cierre un circuito
eléctrico, siendo el interruptor termostático el dispositivo
más común utilizado en sistemas de refrigeración.
¿Qué es una Válvula de Solenoide?
La válvula de solenoide es un dispositivo operado eléctricamente,
y es utilizado para controlar el flujo de líquidos o
gases en posición completamente abierta o completamente
cerrada. A diferencia de las válvulas motorizadas,
las cuales son diseñadas para operar en posición moduladora,
la válvula de solenoide no regula el flujo aunque
puede estar siempre completamente abierta o completamente
cerrada. La válvula de solenoide puede usarse para
controlar el flujo de muchos fluidos diferentes, dándole la
debida consideración a las presiones y temperaturas
involucradas, la viscosidad del fluido y la adaptabilidad de
los materiales usados en la construcción de la válvula.
La válvula de solenoide es una válvula que se cierra por
gravedad, por presión o por la acción de un resorte; y es
abierta por el movimiento de un émbolo operado por la
acción magnética de una bobina energizada eléctricamente,
o viceversa.
Una válvula de solenoide consiste de dos partes accionantes
distintas, pero integrales: un solenoide (bobina eléctrica)
y el cuerpo de la válvula.
Fig. Bobinas para válvulas solenide
La estructura propuesta teórica de una válvula de solenoide es simple. Se comienza con una cámara hueca en forma de T. La parte inferior de la T es la entrada, a través de la cual fluye el fluido. En la tapa de la T hay un diafragma elástico, que cubre la entrada, impidiendo que el líquido pase a través del brazo izquierdo de la T. En el brazo derecho se aloja la bobina del solenoide; el otro extremo se conecta a una fuente eléctrica y el extremo que entraría en contacto con el fluido está cubierto con un tapón o pistón delgado.
Un electroimán es un imán en el cual las líneas de fuerza
son producidas por una corriente eléctrica. Este tipo de
imanes es importante para el diseño de controles automáticos,
porque el campo magnético puede ser creado o
eliminado al activar o desactivar una corriente eléctrica.
El término "solenoide" no se refiere a la válvula misma,
sino a la bobina montada sobre la válvula, con frecuencia
llamada "el operador". La palabra "solenoide" se deriva de
las palabras griegas "solen", que significa canal, y "oide"
que significa forma. La bobina proporciona un canal, en el
cual se crea una fuerte fuerza magnética al energizar la
bobina.
El solenoide es una forma simple de electroimán que
consiste de una bobina de alambre de cobre aislado, o de
otro conductor apropiado, el cual está enrollado en espiral
alrededor de la superficie de un cuerpo cilíndrico, generalmente
de sección transversal circular (carrete). Cuando se
envía corriente eléctrica a través de estos devanados,
actúan como electroimán, tal como se ilustra en la figura
1. El campo magnético que se crea, es la fuerza motriz
para abrir la válvula. Este campo atrae materiales
magnéticos, tales como el hierro y muchas de sus aleaciones.
Dentro del núcleo va un émbolo móvil de acero
magnético, el cual es jalado hacia el centro al ser energizada
la bobina. 
Figura 1 - Solenoide energizado.
El cuerpo de la válvula contiene un orificio (puerto), a
través del cual fluye el líquido cuando está abierta.
La aguja o vástago que abre y cierra el puerto de la válvula,
se une directamente a la parte baja del émbolo, en el otro
extremo. El vástago o aguja tiene una superficie sellante
(asiento). De esta forma, se puede abrir o detener el flujo
al energizar o desenergizar la bobina solenoide. Este
principio magnético, constituye la base para el diseño de
todas las válvulas solenoide.
Figura : Ejemplo de circuito eléctrico de energizado de una válvula solenoide a partir de una señal digital de control.
Principio de Operación
El la figura 2 pueden apreciarse las partes principales ya
integradas de una válvula de solenoide típica. La aguja de
la válvula está unida mecánicamente a la parte inferior del
émbolo. En esta válvula en particular, cuando se energiza
la bobina, el émbolo es levantado hacia el centro de la
bobina, levantando la aguja del orificio donde está sentada,
permitiendo así el flujo. Cuando se desenergiza la bobina,
el peso del émbolo hace que caiga por gravedad y cierre
el orificio, deteniendo el flujo. En algunos tipos de válvulas,
un resorte empuja el émbolo para que cierre la válvula;
esto permite que la válvula pueda instalarse en otras
posiciones diferentes a la vertical.
Figura 2 -Válvula de solenoide típica de acción directa, normalmente
cerrada de dos vías.
Tipos de Válvulas de Solenoide
Fig. Válvulas solenoide para refrigeración
Existe una amplia variedad de tipos de válvulas solenoide,
los cuales se pueden dividir de acuerdo a su aplicación, su
construcción y su forma. Entre los fabricantes de válvulas
no existe un concenso para diferenciar los tipos por orden
de importancia. Aunque recientemente, la práctica más
generalizada es dividirlas primeramente, de acuerdo a su
aplicación; es decir, a la capacidad del sistema donde va
a ser instalada la válvula. Con base en esto, las válvulas
solenoide pueden dividirse de manera general, en dos
tipos: 1) De acción directa, y 2) Operadas por piloto.
También por su construcción, las válvulas solenoide pueden
ser: 1) Normalmente cerradas, 2) Normalmente abiertas
y 3) De acción múltiple.
Por su forma, hay tres tipos de válvulas solenoide de uso
común: 1) de dos vías, 2) de tres vías y 3) de cuatro vías
o reversibles.
Puede haber válvulas solenoide con combinaciones de los
tipos mencionados arriba. Por ejemplo, hay válvulas operadas
por piloto normalmente abiertas y también normalmente
cerradas. La válvula que se muestra en la figura 2,
es una válvula de acción directa, de dos vías, normalmente
cerrada.
A continuación, se describe ampliamente cada tipo de
válvula y sus aplicaciones respectivas .
Acción Directa
El solenoide de acción directa, se utiliza en válvulas con
baja capacidad y puertos de tamaño pequeño. El émbolo
está conectado mecánicamente a la aguja de la válvula.
Al energizar la bobina, el émbolo se eleva hacia el centro
de la misma, levantando la aguja. Puesto que para operar,
este tipo de válvula depende únicamente de la potencia
del solenoide, para un diferencial de presión determinado,
el tamaño de su puerto está limitado por el tamaño del
solenoide. No se utiliza en sistemas de grandes capacidades,
porque se requeriría una bobina de gran tamaño para
contra-actuar el gran diferencial de presión. La bobina
requerida sería grande, costosa y no sería factible para
circuitos de muy grande capacidad.
Este tipo de válvula opera desde una presión diferencial de
cero, hasta su Diferencial Máximo de Presión de Apertura
(MOPD por sus siglas en inglés), independientemente de
la presión en la línea. Para mantenerla abierta, no se
requiere caída de presión a través de la válvula.
Las siguientes fuerzas actúan sobre una válvula de solenoide
para mantenerla cerrada o abierta y fluyendo.
Cuando está cerrada:
a. La presión interna empuja al émbolo hacia abajo al
orificio.
b. La gravedad jala al émbolo hacia abajo al orificio. En
algunas válvulas, la presión de un resorte también
ayuda a mantenerlas cerradas.
c. La diferencia entre la presión alta en la entrada y baja
en la salida, mantiene al émbolo sobre el orificio.
Nota: Mientras más grande es el diferencial de presión entre
la entrada y la salida, más dificil es abrir la válvula.
Cuando está abierta:
a. El flujo interno que pasa a través del orificio, ayuda a
mantener al émbolo abierto.
b. La atracción magnética sostiene arriba al émbolo.
Diferencial Máximo de Presión de Apertura
(MOPD)
Mientras más grande sea la presión interna, o mientras
más grande sea la diferencia entre las presiones de
entrada y salida, más firme se mantiene el émbolo sobre
el orificio. Mientras más grande el orificio, más grande es
el área afectada por el diferencial de presión, manteniendo cerrado al émbolo. Por lo tanto, un orificio pequeño con
bajo diferencial de presión, es fácil de abrir magnéticamente.
Si aumenta el tamaño del orificio o el diferencial de
presión, más difícil se vuelve para jalar al émbolo. Si tanto
el área del émbolo, como el diferencial de presión son
grandes, es posible que se exceda la capacidad del imán
para jalar al émbolo y abrir o cerrar el orificio de la válvula. Cuando esta capacidad del imán es vencida por las
fuerzas que mantienen abajo al émbolo, se dice que se ha
excedido el MOPD.
Cuando el MOPD es bajo (el área del orificio es chica y la
diferencia entre las presiones de entrada y salida es
pequeña), la bobina solenoide no requiere de mucho
esfuerzo para levantar al émbolo. Al hacerse más grande
el orificio y más grande la caída de presión, se requiere una
bobina magnética de mayor tamaño, para crear la fuerza
magnética que se requiere para accionar el émbolo.
El MOPD se determina por qué tanta atracción magnética
se requiere para contrarrestar la fuerza que mantiene
abajo el émbolo. Cuando el diferencial de presión está por
abajo de la clasificación de MOPD, la válvula de solenoide
abrirá o cerrará rápida y fácilmente al ser energizada.
Cuando se exceda el MOPD, la válvula no abrirá o cerrará
al ser energizada, y podrá sobrecalentarse ocasionando
riesgos de peligro, a menos que sea desenergizada rápidamente
.
La válvula de acción directa se usa solamente en circuitos
de pequeña capacidad. Para grandes capacidades se
utilizan válvulas de solenoide operadas por piloto.
Operadas por Piloto
Las válvulas de solenoide operadas por piloto, utilizan una
combinación de la bobina solenoide y la presión de la línea.
En estas válvulas, el émbolo está unido a un vástago de
Figura 3 - Válvula de solenoide operada por piloto, normalmente
cerrada, de dos vías con pistón flotante.
aguja que cubre un orificio piloto en lugar del puerto
principal, tal como se ilustra en la figura 3. La presión de
la línea mantiene cerrado un pistón flotante o independiente
contra el puerto principal, aunque en algunos modelos
de válvulas puede ser un diafragma. Hay tres tipos básicos
de válvulas operadas por piloto; de pistón flotante, de
diafragma flotante y de diafragma capturado.
Cuando la bobina es energizada, el émbolo es accionado
hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio piloto.
Cuando este orificio se abre, la presión atrapada arriba del
pistón se libera a través del orificio piloto, creando así un
desbalance de presión a través del pistón; la presión abajo
ahora es mayor que la presión arriba, forzándolo a subir y
abrir el puerto principal. Cuando se desenergiza la bobina
solenoide, el émbolo cae y la aguja cierra el orificio piloto,
luego, las presiones de arriba y abajo del pistón se igualan
nuevamente, y el pistón cae cerrando el puerto principal.
En algunos diseños de válvulas de solenoide operadas por
piloto, se usa un diafragma en lugar de pistón, para cerrar
el puerto principal, tal como se muestra en la figura 4.
Ordinariamente, en válvulas de tamaño mediano, el orificio
piloto se localiza encima del pistón o del diafragma.
En válvulas grandes, donde es mayor el movimiento del
pistón o diafragma, con frecuencia es necesario ubicar el
Figura 4 - Válvula de solenoide de dos vías, normalmente cerrada,
operada por piloto con diafragma flotante.
Figura 5 - Válvula de solenoide operada por piloto.
orificio piloto en un punto remoto del pistón o diafragma,
por cuestión de diseño práctico, como la mostrada en la
figura 5.
Cuando la solenoide piloto está desenergizada, se acumula
la presión alta en la cámara piloto, forzando a que
cierre el pistón. Cuando se energiza la solenoide piloto,
como se muestra en la figura 5, se libera la presión de la
cámara piloto y el resorte levanta el pistón del asiento,
abriendo la válvula.
Las válvulas de solenoide operadas por piloto, requieren
un diferencial mínimo de presión de apertura entre la
entrada y la salida (aproximadamente 0.5 psi o más), para
abrir el puerto principal y mantener al pistón o al diafragma
en posición abierta.
Diferencial Mínimo de Presión de Apertura
(MinOPD)
Tal como se explicó anteriormente, la válvula de solenoide
de acción directa no debe exceder su MOPD, o no abrirá
al ser energizada. Si el diferencial de presión es muy
grande, o los orificios son de diámetro grande, se necesitaría
una bobina demasiado grande y costosa para
contrarrestar el MOPD. Por lo tanto, la válvula operada por
piloto se usa en tamaños grandes. La idea principal es abrir
el orificio piloto con tan poco esfuerzo como sea posible.
Sin embargo, se requiere una cierta cantidad de diferencial
de presión para levantar al pistón o diafragma del
puerto principal, después que el orificio piloto ha permitido
que se igualen las presiones de entrada y salida. Esta
pequeña cantidad de presión requerida se conoce como
el Mínimo Diferencial de Presión de Apertura (Min OPD).
Una válvula de solenoide operada por piloto, requiere de
un Min OPD para levantar al pistón o diafragma del puerto
principal. Las solenoides de acción directa no lo requieren,
pero ambas tienen que evitar exceder su MOPD para que
haya un flujo adecuado.
Aunque se pueden encontrar ciertas variantes mecánicas
en su construcción, los principios básicos de operación
anteriores, aplican a todas las válvulas de solenoide de
refrigeración, Algunos ejemplos de estas variantes son:
1. Émbolos de carrera corta, los cuales están rígidamente
conectados a la aguja (éstos siempre serán del tipo de
"acción directa").
2. Émbolos de carrera larga, los cuales durante la apertura
imparten un "golpe de martillo" a la válvula.
3. Construcción interconectada mecánicamente de pistón
a émbolo, la cual se usa donde no hay disponible
diferencial de presión para flotar el pistón. Esta construcción,
permite que una válvula de solenoide grande
abra y permanezca en posición abierta, con una mínima
caída de presión a través de la válvula. Se usa
principalmente para trabajos en líneas de succión.
4. Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte,
utilizadas en puertos de diámetros grandes.
5. Válvulas de paso para condensador con la fuerza de la
presión, las cuales utilizan una conexión piloto de alta
presión. Estas válvulas se describen con mayor detalle
en el tema "Aplicación de válvulas de solenoide".
Las válvulas de solenoide que tienen un émbolo cargado
con resorte, pueden instalarse y operarse en cualquier
posición. En la actualidad, la mayoría de las válvulas de
solenoide para refrigeración son de este tipo.
Válvulas de Dos Vías
Hasta ahora, hemos explicado de manera general cómo
opera una válvula de solenoide. En seguida, discutiremos
los diferentes tipos de válvulas y sus aplicaciones respectivas.
Los tres tipos principales de válvulas son: de dos
vías, de tres vías y de cuatro vías.
La válvula de dos vías es el tipo de válvula de solenoide
más común, tiene una conexión de entrada y una de salida,
y controla el flujo del fluido en una sola línea. Puede ser de
acción directa u operada por piloto, dependiendo de la
capacidad del sistema. Cada una de éstas puede ser
"normalmente cerrada" o "normalmente abierta".
En la figura 6, se muestra una válvula de dos vías de
acción directa, normalmente cerrada. Cuando la bobina
está desenergizada, el peso del émbolo y la acción del
resorte mantienen cerrada la válvula. Cuando se energiza
la bobina, se forma el campo magnético, el cual atrae al
émbolo hacia el centro y la aguja se levanta del asiento,
abriendo el orificio del puerto y permitiendo el flujo a través
de la válvula. Cuando nuevamente se desenergiza la
bobina, la fuerza que retiene al émbolo es liberada,
haciéndolo que caiga por su propio peso y por la acción del
resorte, cubriendo el orificio del puerto y deteniendo el flujo
a través de la válvula.
Figura 6 - Válvula de solenoide de dos vías, de acción directa,
normalmente cerrada.
Las válvulas de solenoide de dos vías operadas por piloto
y normalmente cerradas, como la que se muestra en la
figura 7, operan de la siguiente manera: estas válvulas
tienen un orificio igualador que comunica la presión de la
entrada con la parte superior del diafragma (o pistón),
empujándolo contra el asiento y manteniendo de esta
manera cerrada la válvula. El orificio piloto es 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. La presión arriba del diafragma se
reduce y se iguala con la de salida. El diferencial de presión
resultante a través del diafragma, crea una fuerza que lo
levanta del puerto principal haciendo que se abra la
válvula. Al desenergizar la bobina se cierra el orificio piloto,
y la presión de entrada se va por el orificio igualador e
iguala las presiones, arriba y abajo del diafragma, permitiéndole
que se vuelva a sentar y cierre la válvula.
Figura 7 - Válvula de solenoide de dos vías operada por piloto,
normalmente cerrada, con diafragma flotante.
Aunque las válvulas normalmente cerradas son las que
más se usan, también se fabrican válvulas de dos vías
"normalmente abiertas", tanto de acción directa como
operadas por piloto. En este tipo de válvulas, la secuencia
es a la inversa de las normalmente cerradas.
En las válvulas de dos vías, de acción directa normalmente
abiertas, como la que se muestra en la figura 8, cuando
la bobina está desenergizada, el puerto principal está
Figura 8 - Válvula de solenoide de dos vías, de acción directa,
normalmente abierta.
abierto, ya que el émbolo está liberado de la fuerza de la
bobina solenoide y está siendo levantado del asiento, lo
que permite el flujo a través de la válvula. Cuando la
solenoide se energiza, atrae al émbolo hacia el centro de
la bobina y cubre el puerto principal, deteniendo el flujo a
través de la válvula. Este tipo de válvulas es para aplicaciones
donde se requiere que la válvula permanezca
abierta la mayor parte del tiempo, o donde se requiere que
la válvula abra en caso de una falla eléctrica. Además de
ahorrar energía, dichas válvulas son a prueba de falla
durante los "apagones", permaneciendo en la posición
abierta.
En la figura 9, se muestra una válvula de solenoide de
dos vías operada por piloto y normalmente abierta. Cuando
la bobina está desenergizada, libera la fuerza sobre el
émbolo y el orificio piloto permanece abierto. Al reducirse
la presión del sistema sobre la parte superior del diafragma,
la presión total del sistema actúa sobre el lado opuesto
del diafragma para levantarlo del puerto principal, permitiendo
así un flujo completo a través de la válvula. Cuando
el solenoide es energizado, atrae el émbolo hacia el centro
de la bobina y la aguja cubre el orificio piloto. Entonces se
acumula la presión del sistema sobre el diafragma, a
través del orificio igualador, forzando al diafragma hacia
abajo, hasta que cubre el puerto principal y detiene el flujo
a través de la válvula.
Figura 9 - Válvula de solenoide de dos vías, operada por piloto,
normalmente abierta, con diafragma flotante.
Temas relacionados : Refrigeración - Válvulas de tres vías
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