Cuando el jefe cervecero de una empresa cervecera observó que la válvula automática de su tina de maceración fallaba mientras realizaba un ciclo de vapor, se descubrió que el problema se debía a un malentendido. El actuador original de la válvula, una unidad neumática de simple efecto, había sido cambiado durante el mantenimiento por uno que parecía igual pero que era de doble efecto. El actuador de simple efecto funcionaba según un principio en el que se utilizaba un resorte para cerrar la válvula después de que se eliminaba el aire. Así, estaba protegido del sobrecalentamiento y de adquirir temperatura adicional. El actuador de doble efecto permaneció en la misma posición después de la pérdida de energía, que era la posición abierta. Como resultado, se produjo un lote de grano sobrecalentado al final.
Qué significan realmente "simple efecto" y "doble efecto"
Las explicaciones de los actuadores de simple efecto y doble efecto sugieren cómo un actuador, un dispositivo para abrir y cerrar una válvula, utiliza energía que en la mayoría de los casos es aire comprimido en entornos de procesos sanitarios. La diferencia es simple pero implica importantes cuestiones de seguridad, energía y económicas.
Un actuador que funciona en una sola dirección (conocido como actuador de retorno por resorte), activa la válvula por medio de presión de aire, lo que permite que una válvula se abra. Luego, el resorte mecánico ayuda a que la válvula vuelva a su posición original cuando se agota el aire. En este caso, el resorte es el mecanismo de seguridad. Si el suministro de aire se detiene, la válvula tiene una posición de seguridad que generalmente está cerrada en aplicaciones donde el proceso está aislado. Esta es la opción predeterminada para cualquier válvula que deba cambiar a un modo seguro en caso de corte del suministro de aire.
Un actuador de doble efecto aprovecha la presión del aire de ambos lados del pistón interno. El aire abre y cierra la válvula sin necesidad de la ayuda de un resorte. El actuador es capaz de moverse en ambas direcciones utilizando la energía aplicada y, por lo tanto, permanece en la última dirección en la que fue colocado en caso de que se corte el suministro de aire. El actuador de doble efecto es más rápido, más compacto para el par aplicado y consume aire cada vez que completa la carrera. Este tipo de actuadores se prefiere cuando se necesita un actuador rápido con un par constante y posicionamiento sin la función de parada o en caso de que la función de parada esté asegurada en otros elementos del sistema.
Cómo se comparan en la práctica
| Característica | Simple efecto (retorno por resorte) | Doble efecto |
|---|---|---|
| Cómo se mueve a la posición accionada | La presión de aire comprime un resorte | La presión de aire mueve el pistón |
| Cómo vuelve a la posición de reposo | Fuerza del resorte, cuando el aire se agota | Presión de aire en el lado opuesto del pistón |
| Comportamiento a prueba de fallos por pérdida de aire | El resorte impulsa la válvula a su posición segura (normalmente cerrada) | La válvula permanece en su última posición |
| Consumo de aire | Consume aire en una carrera; lo expulsa al retorno por resorte | Consume aire en cada carrera en ambas direcciones |
| Tamaño para par equivalente | Más grande — el resorte ocupa espacio y requiere un área de pistón más grande | Más pequeño — ambos lados del pistón son accionados |
| Velocidad del ciclo | Moderada; el retorno por resorte es más lento que el retorno accionado | Rápido y consistente en ambas direcciones |
| Costo | Generalmente 10-25% más que un doble efecto de par equivalente debido al conjunto del resorte | Generalmente más bajo para una salida de par dada |
Las ventajas y desventajas de cada enfoque
Aunque los actuadores de simple efecto tienen beneficios de seguridad, son menos compactos y más complicados que sus rivales. Los resortes son dispositivos mecánicos que no dependen de la electricidad, la presión o la lógica. Por eso, la mayoría de las empresas utilizan actuadores de retorno por resorte en válvulas de seguridad contra incendios, válvulas de cierre de emergencia y válvulas de aislamiento de vapor. Además, dado que el resorte simplifica el circuito de control, solo se necesita una válvula solenoide para introducir y eliminar el aire de un solo puerto. Sin embargo, con sus beneficios vienen algunos inconvenientes: el resorte debe ser dimensionado relativamente grande para poder operar contra el par de la válvula, lo que da lugar a un actuador más grande y pesado en comparación con sus contrapartes de doble efecto. Además, parte de la fuerza de la presión del aire es gastada por el resorte, lo que resulta en una reducción del par neto. Por último, el movimiento de retorno por resorte es más lento que el movimiento accionado, rechazando semi-automáticamente soluciones en operaciones de alta velocidad.
Un actuador de doble efecto tiene la ventaja de tener velocidad, compacidad y un par equilibrado. Además, es impulsado por la presión del aire, ya que es capaz de empujar y tirar, lo que hace que su par sea perfectamente uniforme. Debido a la ausencia de resorte, el actuador es mucho más pequeño y ligero, manteniendo la misma eficiencia, lo cual es útil en lugares de difícil acceso. Sin embargo, la principal desventaja es que no existe un mecanismo a prueba de fallos. En caso de que no se bombee aire a presión, la válvula no responderá a su actuador. Aunque el uso de un depósito de aire o una válvula de bloqueo resolverá este problema, esto implicará un costo en espacio y dinero.
Dónde pertenece cada tipo en una línea de proceso higiénico
En una instalación de producción de alimentos, leche o medicamentos, la decisión entre dispositivos de simple efecto y de doble efecto se determina por la operación segura, las características de funcionamiento y la facilidad de limpieza. Esto lleva a consideraciones diferentes en comparación con los procesos industriales generales, ya que la válvula correspondiente debe limpiarse in situ en lugar de dentro de las instalaciones de la fábrica, el actuador debe ser capaz de soportar diferentes etapas de limpieza.
- Barreras de vapor y válvulas de seguridad térmica: De simple efecto, cierre por resorte es el estándar. Si el aire falla, el vapor se detiene.
- Válvulas de desvío y enrutamiento de producto: El doble efecto está ganando popularidad ya que se usa comúnmente en caso de operación rápida de la válvula y la ocurrencia de un bloqueo a mitad de carrera no es un problema peligroso. En tal caso, la seguridad contra fallos es gestionada por la lógica de control del sistema.
- Válvulas de aislamiento de tanque: De simple efecto, cierre por resorte, específicamente cuando se usan para tanques con líquido caliente presurizado o solución CIP.
- Válvulas de llenado y descarga en pasteurizadores: El doble efecto se usa a menudo por la velocidad, con un arreglo separado de bloqueo y purga para la seguridad.
Eagle Fittings ofrece actuadores neumáticos de acción simple y doble en sus válvulas de bola sanitarias, válvulas de mariposa y válvulas de diafragma. El actuador es apropiado para las necesidades de par de la válvula, así como para las necesidades de seguridad del proceso. Nuestras válvulas de bola neumáticas de soldadura 3A están disponibles en configuraciones de retorno por resorte y de doble acción, con el actuador dimensionado para ofrecer una conmutación fiable y sin fugas a lo largo de miles de ciclos CIP.
¿Qué pasa con los cilindros hidráulicos? El mismo principio, un medio diferente
Aunque esta guía trata sobre los actuadores de válvula neumáticos, que sirven como componentes fiables del procesamiento limpio, es importante señalar que el principio de simple efecto a doble efecto también es aplicable cuando se utilizan cilindros hidráulicos con maquinaria industrial pesada. El cilindro hidráulico de simple efecto utiliza presión para extender el vástago del pistón y luego la retracción se realiza mediante un resorte o la gravedad. El cilindro hidráulico de doble efecto utiliza presión en ambos extremos del vástago del pistón. Si bien los principios son los mismos, la aplicación es diferente y las fuerzas involucradas en el proceso también son mucho mayores.
Cómo elegir entre acción simple y doble acción
Hay tres preguntas que deben responderse secuencialmente para responder a esta pregunta. La primera es si la válvula debe cerrarse o abrirse en caso de que falle el suministro de aire: la válvula de acción simple es la solución adecuada aquí. La segunda pregunta es con qué rapidez actúa la válvula. Si la rapidez de acción es vital y la función de seguridad a prueba de fallos puede proporcionarse de otra manera, la válvula de doble acción es más adecuada. La tercera pregunta es cuánto espacio hay disponible. Si el espacio es limitado, se puede elegir una válvula de doble acción, porque es más pequeña que una válvula de acción simple. El costo no debe considerarse un factor importante, ya que la diferencia de precio entre un actuador de acción simple y un actuador de doble acción no es significativa: esta diferencia alcanza los 30-100 dólares para los actuadores del tamaño utilizado en la válvula sanitaria con un diámetro de 1-3 pulgadas: ¡no significaría mucho! Los ingenieros de Eagle Fittings, junto con los diseñadores de procesos, eligen el tipo de actuador que se adapta a una válvula y un proceso determinados.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son las desventajas de los cilindros de simple efecto?
El actuador de acción simple se muestra más grande y pesado con respecto al actuador de doble efecto que produce el mismo par. La velocidad de la carrera con el resorte es menor que la de un actuador motorizado. El resorte consume parte de la presión en la línea de aire durante el funcionamiento. Además, el resorte es un componente sujeto a desgaste; sin embargo, generalmente tiene una clasificación de cientos de miles de ciclos, especialmente si se usa en el campo sanitario.
¿Puedo usar un cilindro hidráulico de doble efecto como uno de simple efecto?
En términos técnicos, un cilindro hidráulico de doble efecto puede funcionar como uno de simple efecto. Al descargar uno de sus puertos al aire, el otro puerto puede usarse para transmitir presión hidráulica. Sin embargo, a pesar de que es posible hacerlo, no es aconsejable ya que al usar el puerto que no estaba en operación, el usuario expone el dispositivo al riesgo de contaminación. Dado que los sellos del pistón no fueron hechos para esta operación, tampoco funcionarán bien. En consecuencia, se deben usar resortes protectores adicionales de forma externa.
¿Qué significa "simple efecto"?
Simple efecto Se refiere a un mecanismo que utiliza un actuador que opera en una dirección con la ayuda de su fuente de energía (aire comprimido o fluido hidráulico) pero que regresa a su posición inicial bajo la influencia de un resorte, la gravedad o la propia carga. En la actuación de válvulas neumáticas, este suele ser el caso de los actuadores de retorno por resorte, es decir, el aire abre la válvula mientras el resorte la cierra cuando el suministro de aire se acaba.
¿Cuál es la diferencia entre bombas de simple y doble efecto?
Una bomba de simple efecto bombea fluido durante un solo movimiento, por ejemplo, durante el movimiento descendente del pistón, y se recarga en el movimiento inverso. Una bomba de doble efecto bombea líquido durante ambos movimientos, proporcionando así el doble de rendimiento para el mismo volumen y velocidad en comparación con una bomba de simple efecto. El principio es el mismo que con los actuadores: el de simple efecto funciona en una dirección y el de doble efecto en dos direcciones.
Referencias
- Alfa Laval — Actuación de válvulas higiénicas. Fabricante de actuadores neumáticos de simple y doble efecto para válvulas sanitarias, con guía de aplicación para procesamiento de alimentos y productos farmacéuticos.
- GEMÜ — Actuadores de válvulas para aplicaciones higiénicas. Fabricante alemán de actuadores neumáticos de alta pureza, con documentación técnica sobre configuraciones de retorno por resorte y de doble efecto.
- Parker Hannifin — Fundamentos de actuadores neumáticos. Recursos educativos sobre tipos de actuadores neumáticos, dimensionamiento y comportamiento a prueba de fallos.
- Festo — Tecnología de actuación neumática. Proveedor global de actuadores neumáticos y sistemas de control, con amplio material de referencia técnico.
La elección entre simple efecto y doble efecto no se trata de qué actuador es mejor, sino de qué actuador es el correcto para el proceso. Un actuador de simple efecto proporciona la seguridad mecánica a prueba de fallos que demandan las válvulas críticas para la seguridad, a costa de una mayor huella y una carrera de retorno más lenta. Un actuador de doble efecto proporciona velocidad, compacidad y un par equilibrado para aplicaciones donde el sistema de control o un dispositivo de seguridad separado gestiona el modo de fallo. El incidente del macerador de la cervecería fue un costoso recordatorio de que los dos no son intercambiables cuando la seguridad está en juego. Eagle Fittings suministra ambas configuraciones, adaptadas a la válvula, el proceso y el requisito de estado seguro, porque el actuador que mantiene abierta una válvula es tan importante como la válvula que la cierra herméticamente.
