Las válvulas
Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.
Las válvulas tienen tres partes principales, estas son: Cuerpo, Tapa y Partes Internas.
*Cuerpo de la válvula: El cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin perdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosión o a la corrosión producida por el fluido.
El cuerpo y las conexiones a la tubería están normalizados de acuerdo con las presiones y temperaturas de trabajo en las normas DIN y ANSI.
Cabe señalar los puntos siguientes:
• Las conexiones roscadas se utilizan hasta 2”
• Las bridas pueden ser planas, con resalte, machihembradas, machihembradas con junta de anillo.
• Las conexiones soldadas pueden ser con encaje o con soldadura a tope.
Las primeras se emplean para tamaños de válvulas hasta 2” y las segundas desde 2 ½” hasta tamaños mayores.
*Tapa: La tapa de la válvula de control tiene por objeto unir el cuerpo de la válvula al servomotor. A su través desliza el vástago del obturador accionado por el motor. Este vástago dispone generalmente de un índice que señala en una escala de posición de apertura o de cierre de la válvula.
Para que el fluido no escape a través de la tapa es necesario disponer una caja de empaquetadura entre la tapa y el vástago. La empaquetadura ideal debe ser elástica, tener un bajo coeficiente de rozamiento, ser químicamente inerte y ser un aislante eléctrico, con el fin de no formar un puente galvanizo con el vástago que dé lugar a una corrosión de partes de la válvula. La empaquetadura que se utiliza normalmente es de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" cuya temperatura máxima de servicio es de 220º C. A temperatura superiores o inferiores a este valor es necesario o bien emplear otro material o bien alejar la empaquetadura del cuerpo de la válvula para que se establezca así un gradiente de temperaturas entre el fluido y la estopa y esta última pueda trabajar satisfactoriamente.
La empaquetadura normal no proporciona un sello perfecto para el fluido, esta empaquetadura suele ser de aros de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" que es autolubricante y no necesita engrase. Cuando el fluido y las condiciones de servicio no permiten el empleo aislado de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" se utiliza grafito en forma de filamento, laminado y cinta. En el caso de fluidos corrosivos, tóxicos, radiactivos, o muy valiosos hay que asegurar un cierre total en la estopada. La estanqueneidad lograda es tan perfecta que las posibles fugas sólo pueden detectarse con un espectrómetro de masas.
*Partes internas :
OBTURADOR Y ASIENTOS
Como partes internas de la válvula se consideran generalmente las piezas metálicas internas desmontables que están en contacto directo con el fluido. Estas piezas son el vástago, la empaquetadura, el collarín de lubricación en la empaquetadura, los anillos de guía del vástago, el obturador y el asiento o los asientos.
Hay que señalar que el obturador y el asiento constituyen el “Corazón de la Válvula“ al controlar el caudal gracias al orificio de paso variable que forman al variar su posición relativa, y que además tienen la misión de cerrar el paso del fluido.
Para la selección de válvulas se deben considerar tres puntos principales:
• Materiales normales y los especiales aptos para contrarrestar la corrosión, la erosión y el desgaste producido por el fluido.
• Características del caudal en función de la carrera.
• Tamaño normal o reducido que permite obtener varias capacidades de caudal de la válvula con el mismo tamaño del cuerpo.
• MATERIALES.
El obturador y los asientos se fabrican normalmente en acero inoxidable por que este material es muy resistente a la corrosión y a la erosión del fluido.
Cuando la velocidad del fluido es baja, pueden utilizarse PVC, fluorocarbonos y otros materiales blandos, solos o reforzados con fibras de vidrio o grafito. En algunas válvulas pueden utilizarse obturadores y asientos de cerámica.
• CARACTERÍSTICAS DEL CAUDAL INHERENTE.
El obturador determina la característica de caudal de la válvula, es decir, la relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso del fluido.
La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presión diferencial constante a tavés de la válvula se denomina característica de caudal inherente y se representa usualmente considerando como abscisas la carrera del obturador de la válvula y como ordenadas el porcentaje del caudal máximo bajo una presión diferencial constante.
Las curvas características más significativas son la de apertura rápida, la lineal y la isoporcentual, siendo más importantes estas dos últimas. Otras curvas son las parabólicas y las correspondientes a las válvulas de tajadera, mariposa, Saunders, y con obturador excéntrico rotativo.
El obturador con característica de apertura rápida tiene la forma de un disco plano. En la gráfica anterior es posible ver que el caudal aumenta mucho al principio de la carrera llegando rápidamente al máximo.
Obturador con característica de apertura lineal
En el obturador con característica de apertura lineal, el caudal es directamente proporcional a la carrera según la siguiente ecuación:
q=K.l
q = caudal a pérdida de carga constante
K = constante
l = carrera de la válvula
A los efectos de avanzar en el porqué de estos tipos de válvulas, introduciremos un primer concepto: el de rangeabilidad (rangeability), la cual definimos como:
Se utilizan válvulas lineales con obturadores lineales para:
Obturador con característica isoporcentual.
En el obturador con característica isoporcentual cada incremento de carrera del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de la variación. La ecuación correspondiente es:
en la que:
q = caudal a pérdida de carga constante
l = carrera
a = constante
Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.
Las válvulas tienen tres partes principales, estas son: Cuerpo, Tapa y Partes Internas.
*Cuerpo de la válvula: El cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin perdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosión o a la corrosión producida por el fluido.
El cuerpo y las conexiones a la tubería están normalizados de acuerdo con las presiones y temperaturas de trabajo en las normas DIN y ANSI.
Cabe señalar los puntos siguientes:
• Las conexiones roscadas se utilizan hasta 2”
• Las bridas pueden ser planas, con resalte, machihembradas, machihembradas con junta de anillo.
• Las conexiones soldadas pueden ser con encaje o con soldadura a tope.
Las primeras se emplean para tamaños de válvulas hasta 2” y las segundas desde 2 ½” hasta tamaños mayores.
*Tapa: La tapa de la válvula de control tiene por objeto unir el cuerpo de la válvula al servomotor. A su través desliza el vástago del obturador accionado por el motor. Este vástago dispone generalmente de un índice que señala en una escala de posición de apertura o de cierre de la válvula.
Para que el fluido no escape a través de la tapa es necesario disponer una caja de empaquetadura entre la tapa y el vástago. La empaquetadura ideal debe ser elástica, tener un bajo coeficiente de rozamiento, ser químicamente inerte y ser un aislante eléctrico, con el fin de no formar un puente galvanizo con el vástago que dé lugar a una corrosión de partes de la válvula. La empaquetadura que se utiliza normalmente es de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" cuya temperatura máxima de servicio es de 220º C. A temperatura superiores o inferiores a este valor es necesario o bien emplear otro material o bien alejar la empaquetadura del cuerpo de la válvula para que se establezca así un gradiente de temperaturas entre el fluido y la estopa y esta última pueda trabajar satisfactoriamente.
La empaquetadura normal no proporciona un sello perfecto para el fluido, esta empaquetadura suele ser de aros de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" que es autolubricante y no necesita engrase. Cuando el fluido y las condiciones de servicio no permiten el empleo aislado de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" se utiliza grafito en forma de filamento, laminado y cinta. En el caso de fluidos corrosivos, tóxicos, radiactivos, o muy valiosos hay que asegurar un cierre total en la estopada. La estanqueneidad lograda es tan perfecta que las posibles fugas sólo pueden detectarse con un espectrómetro de masas.
*Partes internas :
OBTURADOR Y ASIENTOS
Como partes internas de la válvula se consideran generalmente las piezas metálicas internas desmontables que están en contacto directo con el fluido. Estas piezas son el vástago, la empaquetadura, el collarín de lubricación en la empaquetadura, los anillos de guía del vástago, el obturador y el asiento o los asientos.
Hay que señalar que el obturador y el asiento constituyen el “Corazón de la Válvula“ al controlar el caudal gracias al orificio de paso variable que forman al variar su posición relativa, y que además tienen la misión de cerrar el paso del fluido.
SELECCIÓN DE VÁLVULAS DE ACUERDO AL PROCESO
Para la selección de válvulas se deben considerar tres puntos principales:
• Materiales normales y los especiales aptos para contrarrestar la corrosión, la erosión y el desgaste producido por el fluido.
• Características del caudal en función de la carrera.
• Tamaño normal o reducido que permite obtener varias capacidades de caudal de la válvula con el mismo tamaño del cuerpo.
• MATERIALES.
El obturador y los asientos se fabrican normalmente en acero inoxidable por que este material es muy resistente a la corrosión y a la erosión del fluido.
Cuando la velocidad del fluido es baja, pueden utilizarse PVC, fluorocarbonos y otros materiales blandos, solos o reforzados con fibras de vidrio o grafito. En algunas válvulas pueden utilizarse obturadores y asientos de cerámica.
• CARACTERÍSTICAS DEL CAUDAL INHERENTE.
El obturador determina la característica de caudal de la válvula, es decir, la relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso del fluido.
La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presión diferencial constante a tavés de la válvula se denomina característica de caudal inherente y se representa usualmente considerando como abscisas la carrera del obturador de la válvula y como ordenadas el porcentaje del caudal máximo bajo una presión diferencial constante.
Las curvas características más significativas son la de apertura rápida, la lineal y la isoporcentual, siendo más importantes estas dos últimas. Otras curvas son las parabólicas y las correspondientes a las válvulas de tajadera, mariposa, Saunders, y con obturador excéntrico rotativo.
El obturador con característica de apertura rápida tiene la forma de un disco plano. En la gráfica anterior es posible ver que el caudal aumenta mucho al principio de la carrera llegando rápidamente al máximo.
Obturador con característica de apertura lineal
En el obturador con característica de apertura lineal, el caudal es directamente proporcional a la carrera según la siguiente ecuación:
q=K.l
q = caudal a pérdida de carga constante
K = constante
l = carrera de la válvula
A los efectos de avanzar en el porqué de estos tipos de válvulas, introduciremos un primer concepto: el de rangeabilidad (rangeability), la cual definimos como:
La “Rangeability” o campo de control de caudales que la válvula es capaz de regular manteniendo la curva característica inherente es en la válvula lineal de 15 a 1 o de 30 a 1. Si bien teóricamente podría ser infinita, las dificultades de fabricación las limitan a ese valor.
Se utilizan válvulas lineales con obturadores lineales para:
- Procesos lentos.
- Cuando más del 40 % de la caída de presión del sistema cae en la válvula.
Obturador con característica isoporcentual.
En el obturador con característica isoporcentual cada incremento de carrera del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al caudal que fluía antes de la variación. La ecuación correspondiente es:
en la que:
q = caudal a pérdida de carga constante
l = carrera
a = constante
de aquí:
e integrando:
en la que:
a y b son constantes
e = base de los logaritmos neperianos
Se utilizan válvulas con obturadores Isoporcentuales para:
• Procesos rápidos.
• Cuando la dinámica del sistema no se conoce muy bien.
• Cuando se requiere alta rangeabilidad
• CARACTERÍSTICAS DEL CAUDAL EFECTIVAS
Hay que señalar que en la mayor parte de las válvulas que trabajan en condiciones reales, la ecuación diferencial cambia cuando varía la apertura de la válvula, por lo cual la apertura real que relaciona la carrera de la válvula con el caudal, se aparta de la característica de caudal inherente.
Esta nueva curva recibe el nombre de característica de caudal efectiva.
Como la variación de presión diferencial señalada depende de las combinaciones entre la resistencia de la tubería, y las características de las bombas y tanques del proceso, es evidente que una misma válvula instalada en procesos diferentes presentará inevitablemente curvas características efectivas distintas.
Sea, por ejemplo, un circuito típico de un proceso industrial formado por una bomba centrífuga, la válvula de control y la tubería. Es evidente que las características de impulsión de la bomba y la pérdida de carga absorbida por la válvula y que esta aumenta al disminuir el caudal.
Expresando la pérdida de la presión de la válvula a su capacidad nominal (apertura completa), con relación a la pérdida de carga del sistema se obtiene un coeficiente r . El valor de este coeficiente dependerá del tamaño relativo de la válvula con relación al de la tubería y de la resistencia de la tubería con relación al conjunto. Para cada valor de r puede construirse una curva característica efectiva que se apartará de la curva inherente y que coincidirá con ella cuando r = 1, es decir, cuando la línea no absorbe presión y queda toda disponible para la válvula. Si el valor de r fuera muy pequeño, la válvula de control absorbería muy poca presión y quedaría muy distorsionada la característica inherente.
El valor de este coeficiente dependerá del tamaño relativo de la válvula con relación al de la tubería y de la resistencia de la tubería con relación al conjunto .
• A medida que disminuye el diámetro de válvula aumenta el valor de “r”
• A medida que disminuye la resistencia de tubería, aumenta el valor de “r”
Para cada valor de r puede construirse una curva caracteristica efectiva que se apartará de la curva inherente y que coincidirá con ella cuando, r=1, es decir, cuando la línea no absorbe presión y queda disponible para la válvula.
De modo general, el caudal que pasa por la válvula corresponde a la ecuación:
en la que:
Qv= Caudal a través de la válvula
K = Constante.
A = Área de paso.
Delta p= Presión diferencial a través de la válvula.
Si consideramos una pérdida de carga de un bar y llamamos K al caudal que circula tenemos
Por otro lado, el coeficiente efectivo de la válvula que sustituye al conjunto anterior válvula + tubería sería Ke.
Veamos un ejemplo: sea el siguiente proceso
H 1 es la pérdida de carga disponible para la válvula, H 2 la producida en la tubería en el tramo comprendido entre P 2 y P 3, y H es la caída total en el sistema.
Por lo tanto, el valor de “r” se calcula como:
Hemos agregado el subíndice i para denotar su característica inherente .
Trabajando algebraicamente a partir de las expresiones anteriores se llega a la siguiente relación entre el caudal efectivo (el real) y el caudal inherente en función de r:
que es una familia de curvas efectivas función del valor de r y de la característica inherente q i.
Si r = 1 la característica efectiva se confunde con la inherente. Si la característica es lineal q i = Kl, resulta:
Como se pudo observar, existe un amplio proceso para la selección de una valvula, ya que cada de ellas tiene una construcción específica de acuerdo al tipo de fluido que circulará por ella y de acuerdo al tipo de proceso donde se este implantando.
A continuación se presenta algunos tipos de válvulas, y su aplicación:
1.) Válvulas de compuerta.
La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento (fig. 1-1).Figura 1-1 Válvula de compuerta.
Recomendada para:
- Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.
- Para uso poco frecuente.
- Para resistencia mínima a la circulación.
- Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.
- Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos.
- Alta capacidad.
- Cierre hermético.
- Bajo costo.
- Diseño y funcionamiento sencillos.
- Poca resistencia a la circulación.
- Control deficiente de la circulación.
- Se requiere mucha fuerza para accionarla.
- Produce cavitación con baja caída de presión.
- Debe estar cubierta o cerrada por completo.
- La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.
La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90°
Recomendada para
- Servicio con apertura total o cierre total.
- Para accionamiento frecuente.
- Para baja caída de presión a través de la válvula.
- Para resistencia mínima a la circulación.
- Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.
- Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos.
Ventajas
- Alta capacidad.
- Bajo costo.
- Cierre hermético.
- Funcionamiento rápido.
- Requiere alta torsión (par) para accionarla.
- Desgaste del asiento.
- Cavitación con baja caída de presión.
Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería.
- Estrangulación o regulación de circulación.
- Para accionamiento frecuente.
- Para corte positivo de gases o aire.
- Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación.
- Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento.
- Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete.
- Control preciso de la circulación.
- Disponible con orificios múltiples.
- Gran caída de presión.
- Costo relativo elevado.
Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto.
- Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación.
- Cuando se requiere apertura rápida.
- Para temperaturas moderadas.
- Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.
- Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas.
- Bajo costo.
- Alta capacidad.
- Corte bidireccional.
- Circulación en línea recta.
- Pocas fugas.
- Se limpia por si sola.
- Poco mantenimiento.
- No requiere lubricación.
- Tamaño compacto.
- Cierre hermético con baja torsión (par).
- Características deficientes para estrangulación.
- Alta torsión para accionarla.
- Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.
- Propensa a la cavitación.
5.) Válvulas de mariposa
La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación.
- Servicio con apertura total o cierre total.
- Servicio con estrangulación.
- Para accionamiento frecuente.
- Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos.
- Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería.
- Para baja ciada de presión a través de la válvula.
- Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión.
- Ligera de peso, compacta, bajo costo.
- Requiere poco mantenimiento.
- Numero mínimo de piezas móviles.
- No tiene bolas o cavidades.
- Alta capacidad.
- Circulación en línea recta.
- Se limpia por si sola.
- Alta torsión (par) para accionarla.
- Capacidad limitada para caída de presión.
- Propensa a la cavitación.
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