Regulador de presión

Un regulador de presión es una válvula que controla la presión de un fluido hasta un valor deseado, utilizando la retroalimentación negativa de la presión controlada. Los reguladores se utilizan para gases y líquidos, y pueden ser un dispositivo integral con un ajuste de presión, un limitador y un sensor, todo en un mismo cuerpo, o constar de un sensor de presión, un controlador y una válvula de flujo separados.

Se encuentran dos tipos: el regulador de reducción de presión y el regulador de contrapresión.

• A regulador de reducción de presión es una válvula de control que reduce la presión de entrada de un fluido a un valor deseado en su salida. Es una válvula normalmente abierta y se instala aguas arriba de equipos sensibles a la presión.

• A regulador de presión trasera, válvula de presión trasera, válvula de retención de presión o regulador de presión que sostiene es una válvula de control que mantiene la presión del conjunto en su lado de entrada abriendo para permitir el flujo cuando la presión de entrada supera el valor del conjunto. Se diferencia de una válvula de alivio de sobrepresión en que la válvula de sobrepresión sólo está destinada a abrir cuando la presión contenida es excesiva, y no es necesario mantener la presión de corriente constante. Ellos difieren de la reducción de presión reguladores en que el regulador de la presión controla la presión de abajo y es insensible a la presión de arriba. Es una válvula normalmente cerrada que se puede instalar en paralelo con el equipo sensible o después del equipo sensible para proporcionar una obstrucción al flujo y mantener así la presión de corriente.

Ambos tipos de regulador utilizan la retroalimentación de la presión regulada como entrada al mecanismo de control y, por lo general, se activan mediante un diafragma o pistón accionado por resorte que reacciona a los cambios en la presión de retroalimentación para controlar la apertura de la válvula; en ambos casos, la válvula debe abrirse solo lo suficiente para mantener la presión regulada establecida. El mecanismo real puede ser muy similar en todos los aspectos, excepto en la ubicación de la toma de presión de retroalimentación. Como en otros mecanismos de control de retroalimentación, el nivel de amortiguación es importante para lograr un equilibrio entre la respuesta rápida a un cambio en la presión medida y la estabilidad de la salida. Una amortiguación insuficiente puede provocar una oscilación irregular de la presión controlada, mientras que la fricción excesiva de las piezas móviles puede causar histéresis.

La función principal de un regulador reductor de presión es hacer coincidir el flujo de gas a través del regulador con la demanda de fluido que se le aplica, manteniendo al mismo tiempo una presión de salida suficientemente constante. Si el flujo de carga disminuye, entonces el flujo del regulador también debe disminuir. Si el flujo de carga aumenta, entonces el flujo del regulador debe aumentar para evitar que la presión controlada disminuya debido a una escasez de fluido en el sistema de presión. Es deseable que la presión controlada no varíe mucho del punto de ajuste para una amplia gama de caudales, pero también es deseable que el flujo a través del regulador sea estable y que la presión regulada no esté sujeta a una oscilación excesiva.

Un regulador de presión incluye un elemento restrictivo, un elemento de carga y un elemento de medición:

• El elemento restringente es una válvula que puede proporcionar una restricción variable al flujo, como una válvula de globo, válvula de mariposa, válvula de poppet, etc.
• El elemento de carga es una parte que puede aplicar la fuerza necesaria al elemento de restricción. Esta carga se puede proporcionar por un peso, un muelle, un actuador de pistón o el actuador de diafragma en combinación con un resorte.
• El elemento de medición funciona para determinar cuándo el flujo de entrada es igual al flujo de salida. El diafragma en sí se utiliza a menudo como elemento de medición; puede servir como elemento combinado.

En el regulador de una sola etapa que se muestra en la imagen, se utiliza un equilibrio de fuerza en el diafragma para controlar una válvula de asiento con el fin de regular la presión. Sin presión de entrada, el resorte sobre el diafragma lo empuja hacia abajo sobre la válvula de asiento, manteniéndola abierta. Una vez que se introduce la presión de entrada, el asiento abierto permite el flujo hacia el diafragma y la presión en la cámara superior aumenta, hasta que el diafragma es empujado hacia arriba contra el resorte, lo que hace que el asiento reduzca el flujo y finalmente detenga un mayor aumento de presión. Al ajustar el tornillo superior, se puede aumentar la presión hacia abajo sobre el diafragma, lo que requiere más presión en la cámara superior para mantener el equilibrio. De esta manera, se controla la presión de salida del regulador.

${\displaystyle F=(P_{i}-P_{o})s+P_{o}S+f}$

${\displaystyle F:{\text{ diaphragm spring force}}$

${\displaystyle f:{\text{ poppet spring force}}$
${\displaystyle P_{i}:{\text{ inlet pressure}$
${\displaystyle P_{o}:{\text{ outlet pressure}}$
${\displaystyle s:{\text{ poppet area}}$

${\displaystyle S:{\text{ diaphragm area}}$

El gas a alta presión del suministro ingresa al regulador a través del puerto de entrada. El manómetro de entrada indicará esta presión. Luego, el gas pasa a través del orificio de la válvula de control de presión, que normalmente está abierto, y la presión aguas abajo aumenta hasta que el diafragma que acciona la válvula se desvía lo suficiente para cerrar la válvula, lo que evita que ingrese más gas al lado de baja presión hasta que la presión baje nuevamente. El manómetro de salida indicará esta presión.

La presión de salida en el diafragma y la presión de entrada y la fuerza del resorte del vástago en la parte ascendente de la válvula mantienen el conjunto diafragma/vástago en la posición cerrada contra la fuerza del resorte de carga del diafragma. Si la presión de suministro cae, la fuerza de cierre debido a la presión de suministro se reduce y la presión descendente aumentará ligeramente para compensar. Por lo tanto, si la presión de suministro cae, la presión de salida aumentará, siempre que la presión de salida se mantenga por debajo de la presión de suministro descendente. Esta es la causa del vaciado al final del tanque cuando el suministro es proporcionado por un tanque de gas presurizado. El operador puede compensar este efecto ajustando la carga del resorte girando la perilla para restablecer la presión de salida al nivel deseado. Con un regulador de una sola etapa, cuando la presión de suministro baja, la presión de entrada más baja hace que la presión de salida aumente. Si la compresión del resorte de carga del diafragma no se ajusta para compensar, el vástago puede permanecer abierto y permitir que el tanque descargue rápidamente su contenido restante.

Los reguladores de dos etapas son dos reguladores en serie en la misma carcasa que funcionan para reducir la presión progresivamente en dos pasos en lugar de uno. La primera etapa, que está preajustada, reduce la presión del gas de suministro a una etapa intermedia; el gas a esa presión pasa a la segunda etapa. El gas emerge de la segunda etapa a una presión (presión de trabajo) establecida por el usuario ajustando la perilla de control de presión en el resorte de carga del diafragma. Los reguladores de dos etapas pueden tener dos válvulas de seguridad, de modo que si hay un exceso de presión entre etapas debido a una fuga en el asiento de la válvula de la primera etapa, la presión creciente no sobrecargue la estructura y provoque una explosión.

Un regulador de una sola etapa desequilibrado puede necesitar un ajuste frecuente. A medida que la presión de suministro disminuye, la presión de salida puede cambiar, lo que requiere un ajuste. En el regulador de dos etapas, existe una compensación mejorada para cualquier caída en la presión de suministro.

Los compresores de aire se utilizan en entornos industriales, comerciales y de talleres domésticos para realizar una variedad de trabajos, como limpiar objetos con aire comprimido, hacer funcionar herramientas neumáticas e inflar cosas como neumáticos, pelotas, etc. Los reguladores se utilizan a menudo para ajustar la presión que sale de un receptor de aire (tanque) para que coincida con lo que se necesita para la tarea. A menudo, cuando se utiliza un compresor grande para suministrar aire comprimido para múltiples usos (a menudo denominado "aire de taller" si se construye como una instalación permanente de tuberías en todo un edificio), se utilizarán reguladores adicionales para garantizar que cada herramienta o función independiente reciba la presión que necesita. Esto es importante porque algunas herramientas neumáticas, o usos del aire comprimido, requieren presiones que pueden causar daños a otras herramientas o materiales.

Los reguladores de presión se utilizan en la presurización de cabinas de aviones, en el control de presión de sellos de cabina, en sistemas de agua potable y en la presurización de guías de ondas.

Los reguladores de presión aeroespaciales tienen aplicaciones en el control de presión de propulsión para sistemas de control de reacción (RCS) y sistemas de control de actitud (ACS), donde hay alta vibración, grandes extremos de temperatura y fluidos corrosivos.

Los recipientes presurizados se pueden utilizar para cocinar alimentos mucho más rápido que a presión atmosférica, ya que la presión más alta aumenta el punto de ebullición del contenido. Todas las ollas a presión modernas tendrán una válvula reguladora de presión y una válvula de alivio de presión como mecanismo de seguridad para evitar una explosión en caso de que la válvula reguladora de presión no libere la presión adecuadamente. Algunos modelos más antiguos carecen de una válvula de liberación de seguridad. La mayoría de los modelos de cocina para el hogar están diseñados para mantener un ajuste de presión baja y alta. Estos ajustes suelen ser de 7 a 15 libras por pulgada cuadrada (0,48 a 1,03 bar). Casi todas las unidades de cocina para el hogar utilizan un regulador de presión de una sola etapa muy simple. Los modelos más antiguos simplemente utilizan un pequeño peso en la parte superior de una abertura que se levantará con una presión excesiva para permitir que escape el exceso de vapor. Los modelos más nuevos generalmente incorporan una válvula accionada por resorte que se levanta y permite que escape la presión a medida que aumenta la presión en el recipiente. Algunas ollas a presión tendrán un ajuste de liberación rápida en la válvula reguladora de presión que, esencialmente, reducirá la tensión del resorte para permitir que la presión escape a un ritmo rápido, pero seguro. Las cocinas comerciales también utilizan ollas a presión, en algunos casos ollas a presión a base de aceite para freír rápidamente comida rápida. Los recipientes a presión de este tipo también se pueden utilizar como autoclaves para esterilizar lotes pequeños de equipos y en operaciones de enlatado en el hogar.

Una válvula reguladora de presión de agua limita el flujo de entrada al cambiar dinámicamente la apertura de la válvula de modo que cuando hay menos presión en el exterior, la válvula se abre por completo y cuando hay demasiada presión en el exterior, la válvula se cierra. En una situación sin presión, donde el agua podría fluir en sentido inverso, no se verá impedida. Una válvula reguladora de presión de agua no funciona como una válvula de retención.

Se utilizan en aplicaciones donde la presión del agua es demasiado alta al final de la línea para evitar daños en electrodomésticos o tuberías.

Los procesos de soldadura y corte con oxicombustible requieren gases a presiones específicas, y generalmente se utilizan reguladores para reducir las altas presiones de los cilindros de almacenamiento a las que se pueden utilizar para cortar y soldar. Los reguladores de oxígeno y gas combustible suelen tener dos etapas: la primera etapa del regulador libera el gas a una presión constante desde el cilindro a pesar de que la presión en el cilindro disminuye a medida que se libera el gas. La segunda etapa del regulador controla la reducción de presión desde la presión intermedia a la presión baja. El caudal final se puede ajustar en el soplete. El conjunto del regulador suele tener dos manómetros, uno que indica la presión del cilindro y el otro que indica la presión de suministro. La soldadura por arco con protección de gas inerte también utiliza gas almacenado a alta presión que se proporciona a través de un regulador. Puede haber un manómetro de caudal calibrado para el gas específico.

Todas las aplicaciones de propano y gas LP requieren el uso de un regulador. Debido a que las presiones en los tanques de propano pueden fluctuar significativamente con la temperatura, los reguladores deben estar presentes para suministrar una presión constante a los aparatos que se encuentran aguas abajo. Estos reguladores normalmente compensan las presiones del tanque entre 30 y 200 libras por pulgada cuadrada (2,1 a 13,8 bar) y comúnmente suministran 11 pulgadas de columna de agua (0,4 libras por pulgada cuadrada) (28 mbar) para aplicaciones residenciales y 35 pulgadas de columna de agua (1,3 libras por pulgada cuadrada) (90 mbar) para aplicaciones industriales. Los reguladores de propano difieren en tamaño y forma, presión de suministro y capacidad de ajuste, pero son uniformes en su propósito de suministrar una presión de salida constante para los requisitos aguas abajo. Las configuraciones internacionales comunes para los reguladores de gas LP domésticos son 28 mbar para butano y 37 mbar para propano.

Todos los motores de vehículos que funcionan con gas comprimido como combustible (motor de combustión interna o tren de potencia eléctrico con celda de combustible) requieren un regulador de presión para reducir la presión del gas almacenado (GNC o hidrógeno) de 700, 500, 350 o 200 bares (o 70, 50, 35 y 20 MPa) a la presión de operación.)

Para los vehículos recreativos con tuberías, se requiere un regulador de presión para reducir la presión de un suministro de agua externo conectado a la tubería del vehículo, ya que el suministro puede estar a una altura mucho mayor que el campamento y la presión del agua depende de la altura de la columna de agua. Sin un regulador de presión, la intensa presión que se encuentra en algunos campamentos en áreas montañosas puede ser suficiente para reventar las tuberías de agua del vehículo o desajustar las juntas de plomería, lo que provoca inundaciones. Los reguladores de presión para este propósito generalmente se venden como pequeños accesorios atornillables que se ajustan en línea con las mangueras que se usan para conectar un RV al suministro de agua, que casi siempre son compatibles con la rosca de la manguera de jardín común.

Los reguladores de presión se utilizan con cilindros de buceo para el buceo autónomo. El tanque puede contener presiones superiores a 3000 libras por pulgada cuadrada (210 bar), lo que podría causar una lesión por barotrauma fatal a una persona que lo respire directamente. Un regulador controlado por demanda proporciona un flujo de gas respirable a la presión ambiental (que varía según la profundidad en el agua). Los reguladores reductores de presión también se utilizan para suministrar gas respirable a buzos con suministro desde la superficie y a personas que utilizan aparatos de respiración autónomos (SCBA) para rescate y trabajo con materiales peligrosos en tierra. La presión entre etapas para SCBA a presión atmosférica normal generalmente se puede dejar constante en un ajuste de fábrica, pero para los buzos con suministro desde la superficie es controlada por el operador del panel de gas, dependiendo de la profundidad del buzo y los requisitos de caudal. El oxígeno suplementario para vuelos a gran altitud en aeronaves no presurizadas y los gases médicos también se dispensan comúnmente a través de reguladores reductores de presión desde el almacenamiento de alta presión.

También se puede suministrar oxígeno adicional a través de un regulador que reduce la presión y suministra el gas a un caudal medido para mezclarlo con el aire ambiente. Una forma de producir un caudal másico constante a presión ambiente variable es utilizar un flujo estrangulado, en el que el flujo a través del orificio de medición es sónico. Para un gas determinado en flujo estrangulado, el caudal másico se puede controlar estableciendo el tamaño del orificio o la presión ascendente. Para producir un flujo estrangulado en oxígeno, la relación de presión absoluta del gas ascendente y descendente debe superar 1,893 a 20 °C. A presión atmosférica normal, esto requiere una presión ascendente de más de 1,013 × 1,893 = 1,918 bar. Una presión manométrica regulada nominal típica de un regulador de oxígeno médico es de 3,4 bares (50 psi), para una presión absoluta de aproximadamente 4,4 bares y una relación de presión de aproximadamente 4,4 sin contrapresión, por lo que tendrán un flujo estrangulado en los orificios de medición para una presión descendente (de salida) de hasta aproximadamente 2,3 bares absolutos. Este tipo de regulador utiliza comúnmente una placa de rotor con orificios calibrados y retenes para mantenerla en su lugar cuando se selecciona el orificio correspondiente al caudal deseado. Este tipo de regulador también puede tener una o dos conexiones de despegue no calibradas desde la cámara de presión intermedia con sistema de seguridad de índice de diámetro (DISS) o conectores similares para suministrar gas a otros equipos, y la conexión de alta presión es comúnmente una abrazadera de horquilla del sistema de seguridad de índice de pasador (PISS). Se pueden utilizar mecanismos similares para el control del caudal de los reguladores de aviación y montañismo.

Como la presión en las tuberías de agua aumenta rápidamente con la profundidad, las operaciones de minería subterránea requieren un sistema de agua bastante complejo con válvulas reductoras de presión. Estos dispositivos deben instalarse a un cierto intervalo vertical, generalmente 600 pies (180 m). Sin estas válvulas, las tuberías podrían reventar y la presión sería demasiado alta para el funcionamiento del equipo.

Los reguladores de presión se utilizan ampliamente en la industria del gas natural. El gas natural se comprime a altas presiones para distribuirse por todo el país a través de grandes tuberías de transmisión. La presión de transmisión puede ser superior a 1000 libras por pulgada cuadrada (69 bar) y debe reducirse a través de varias etapas hasta una presión utilizable para aplicaciones industriales, comerciales y residenciales. Hay tres lugares principales de reducción de presión en este sistema de distribución. La primera reducción se encuentra en la entrada de la ciudad, mientras que la presión de transmisión se reduce a una presión de distribución para alimentar a toda la ciudad. Este es también el lugar donde el gas natural inodoro se odoriza con mercaptano. La presión de distribución se reduce aún más en una estación reguladora de distrito, ubicada en varios puntos de la ciudad, a menos de 60 psig. El corte final se produciría en la ubicación del usuario final. Generalmente, la reducción del usuario final se lleva a presiones bajas que van desde 0,25 psig a 5 psig. Algunas aplicaciones industriales pueden requerir una presión más alta.

• Mantener el control de presión aguas arriba en sistemas analíticos o de proceso
• Proteger equipos sensibles de daños de sobrepresión
• Reducir la diferencia de presión sobre un componente que no es tolerante a grandes diferencias de presión.
• Líneas de ventas de gas
• Vasos de producción (por ejemplo, Separadores, calentadores o baches de agua libre)
• Líneas de ventilación o flare

Cuando la caída de presión en un sistema de escape de un sistema de respiración incorporado es demasiado grande, generalmente en sistemas de saturación, se puede utilizar un regulador de contrapresión para reducir la caída de presión de escape a una presión más segura y manejable.

La profundidad a la que se utilizan la mayoría de las mezclas de heliox para respirar en el buceo con suministro desde la superficie es generalmente de al menos 5 bares por encima de la presión atmosférica de la superficie, y el gas de escape del buceador debe pasar a través de una válvula de recuperación, que es una válvula de contrapresión que se activa por el aumento de presión en el casco del buceador por encima de la presión ambiental causada por la exhalación del buceador. La manguera de gas de recuperación que lleva el gas exhalado de vuelta a la superficie para reciclarlo no debe tener una diferencia de presión demasiado grande con respecto a la presión ambiental en el buceador. Un regulador de contrapresión adicional en esta línea permite un ajuste más preciso de la válvula de recuperación para un menor trabajo respiratorio a profundidades variables.

• Sistema de respiración integrado – Sistema de suministro de gas respiratorio bajo demanda dentro de un espacio limitado
• Válvula de control – Dispositivo de control de flujo
• Reacción negativa – Reutilización de la salida para estabilizar un sistema