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UNIVERSIDAD METROPOLITANACONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES
VÁLVULASTRABAJO FINAL
Autores:Acevedo, Emma Carnet: 200810670
Blanco Jacobo Carnet: 200864260López, Daniela Carnet: 200820810
Las válvulas son aparatos mecánicos con los cuales se puede iniciar, detener o regular la circulación o paso ya sea de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
Es un dispositivo que juega un papel muy importante en el control de los procesos industriales, ya que regula la alimentación de material o energía a un proceso, ajustando la abertura a través de la cual fluye el material.
Las válvulas de control constan básicamente de dos partes: la parte motriz (actuador) y el cuerpo. Los actuadores, también llamados servomotores, son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.
El cuerpo de la válvula contiene en su interior dos elementos principalmente: el obturador y los asientos. El obturador es quien realiza la función de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Está unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor.
Válvula de control representativa
Los componentes de las válvulas de control se encuentran más detallados en la siguiente ilustración:
AActuador de la Válvula
BCuerpo de la válvula
Cápsula de acero que contiene el diafragma.Diafragma de neopreno.Guía superior del ejeGuías metálicas para alineación del resorte.Rolineras de acero inoxidable para el resorte.ResorteTornillo de ajuste del resorteEncapsulamientoIndicador de recorrido del obturador.Sujetador de seguridad.Vástago de la válvulaTapónAnillo del asientoTapa del cuerpo de la válvula
A
B
Tipos de válvulas
Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal, en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje, se clasifican como se especifica a continuación.
A continuación se presentan algunos tipos de válvulas, cada tipo de válvula posee una imagen ilustrando su forma y funcionamiento.
Válvulas de globo o esféricas
Arquitectura
Las válvulas de globo son llamadas así por la forma esférica de su cuerpo. Si bien actualmente algunos diseños ya no son tan esféricos, conservan el nombre por el tipo de mecanismo.
Funcionamiento
El obturador de la válvula se desplaza con un movimiento lineal.En la mayoría de los casos, el mecanismo de avance es la de un "tornillo". El vástago del obturador va roscado al bonete de la válvula de globo. En cuanto se le da vueltas al vástago, ya sea mediante un volante o un actuador de giro múltiple, el obturador avanza linealmente.
Las válvulas de globo automatizadas pueden tener vástagos sin rosca, y el desplazamiento lineal viene directamente proporcionado por el actuador.
Aplicaciones
Son de uso frecuente gracias a su poca fricción y pueden controlar el fluido con la estrangulación al grado deseado.
Estrangulación o regulación de circulación. Para accionamiento frecuente. Para corte positivo de gases o aire. Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación. La regulación de fluidos.
Ventajas
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.
Inconvenientes
Gran caída de presión. Costo relativo elevado.
Es el tipo más común de cuerpo de válvula. Se consideran como válvulas de globo los siguientes tipos: Simple asiento Simple asiento con obturador equilibrado o balanceado Doble asiento Tres vías Válvula de ángulo Válvula de jaula Válvula Saunders Válvula de cuerpo partido
Simple asiento
Las válvulas de simple asiento precisan de un actuador de mayor tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. El cierre estanco se logra con obturadores provistos de una arandela de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero".
Las fuerzas que actúan sobre el vástago de la válvula pueden crear desbalances importantes sobre el tapón que hacen que el control sea ineficiente. El siguiente análisis ilustra el origen de esos desbalances.
PoAd
yA1
A2
P1 P2
Como la superficie que presenta el tapón al fluido no es la misma en su parte superior que en su parte inferior, se crea un diferencial de presión que causa que el movimiento del vástago sea no solamente una función de la señal de control, sino también de las presiones que actúan sobre el tapón.
En la figura:Po = Señal de control sobre el actuador (presión)Ad = Área del diafragmaP1 = presión antes de la válvulaP2 = presión después de la válvulaA1 = área superior del tapón obturadorA2 = área inferior del tapón obturadorK = constante de elasticidad del resortey = desplazamiento vertical del vástago
Balance de fuerzas sobre el tapón:Po Ad = Fuerza externa de controlKy = Fuerza de reacción del resorteP1 A2 = Fuerza del fluido sobre la cara inferior del tapónP2 A1 = Fuerza del fluido sobre la cara superior del tapón
Po Ad – Ky – P1 A2 + P2 A1 = 0
El movimiento del vástago “y” viene dado por:
y=PoAd−P1A2+P2A1
K
No es únicamente una función de la señal de control Po, sino también de las presiones que actúan sobre el tapón. Se trata en este caso de una válvula desbalanceada.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de simple asiento.
Arquitectura
Doble asiento
Las válvulas de doble asiento o de obturador equilibrado tienen orificios inferiores y superiores de diferentes diámetros. De esta forma los efectos hidrostáticos de la presión del fluido actuando sobre cada uno de los asientos tienden a cancelarse. Es por esta razón que se utilizan en válvulas de gran tamaño o cuando se deba trabajar con una alta presión diferencial.
En la válvula de doble asiento la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento, al igual que las fugas en posición de cierre.
Por lo general, dispone de dos miembros de cierre dispuestos en serie que son móviles uno con respecto a otro, para prevenir en la posición cerrada de la válvula que el fluido fluya a partir de una parte a la otra parte del alojamiento de válvula y que delimite en la posición cerrada y abierta de la válvula una cavidad de fuga. Los vástagos de la válvula para los miembros de cierre están dispuestos concéntricamente en el interior uno con respecto a otro y se extienden unilateralmente hacia afuera de una parte del alojamiento de válvula en la zona que rodea a la válvula.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de doble asiento.
Tres vías
El propósito de una válvula de control de 3 vías es cortar el caudal de agua en una tubería a la vez que se abre el caudal de agua en otra tubería, para mezclar el agua proveniente de dos tuberías distintas en una sola tubería, o para separar agua desde una tubería en dos tuberías distintas.
La válvula de tres vías se caracteriza por tener tres puertos A, B y C. La válvula se define normalmente por su valor kvs [m3/h], que expresa el volumen de agua que pasa a través de la válvula completamente abierta en 1 hora con una diferencia de presiones de 1 bar.
En un bucle de mezcla, se pueden utilizar las válvulas de control de 3 vías para controlar y regular las superficies calefactoras o refrigeradoras, sistemas de radiadores, calefacción/refrigeración de suelo, etc. Este sistema puede funcionar de varias formas: 1.) El fluido entra por el puerto A y sale a través de los puertos B y C o a través del puerto B o C. 2.) El fluido entra a través de los puertos B y C o B o C y sale a través del puerto A.
Las válvulas de 3 vías suelen estar dotadas de un actuador eléctrico, neumático o térmico.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula tres vías.
Válvula de ángulo
Son válvulas de un solo asiento con configuración especial del cuerpo para ajustarse a requerimientos específicos de flujo o de tubería. El diseño de la válvula es idóneo para el control de fluidos que vaporizan, para trabajar con grandes presiones diferenciales y para los fluidos que contienen sólidos en suspensión.
Empleada para controlar la circulación del aire o del líquido, en la que el eje de salida es perpendicular al eje de entrada. También llamada válvula angular, permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es adecuada para disminuirla erosión cuando esta es considerable por las características del fluido o por la excesiva presión diferencial.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de ángulo.
Válvula de jaula
Consiste en un obturador cilíndrico que desliza en una jaula con orificios adecuados a las características de caudal deseadas en la válvula. Se caracteriza por el fácil desmontaje del obturador y por qué este puede incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial favoreciendo la estabilidad del funcionamiento. Por este motivo este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial.
Como el obturador esta contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Por otro lado, el obturador puede disponer de aros de teflón que, con la válvula en posición cerrada, asientan contra la jaula y permiten lograr así un cierre hermético.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de jaula.
Válvula Saunders
En esta válvula, el obturadores una membrana flexible que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o plástico para trabajar con fluidos agresivos.
Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión. Su uso está limitado a temperaturas de fluidos de menos de 80 ºC.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula Saunders.
Válvula de cuerpo partido
Es una modificación de la válvula de globo de simple asiento teniendo el cuerpo partido en dos partes entre las cuales está presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la industria alimentaria.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de cuerpo partido.
Válvulas de tipo giratorio
Este tipo de válvulas, en las cuales el obturador gira alrededor de un eje, se ha utilizado cada vez con más frecuencia en los últimos años. Sus principales ventajas son su simple diseño, bajo peso y bajo costo. Sin embargo no son recomendables para tamaños de tubería de menos de 1 pulgada.Se describen a continuación los tipos más significativos de válvulas giratorias:
Válvulas de mariposa Válvula de bola Válvula de obturador excéntrico
Válvulas de mariposa
Las válvulas de mariposa son unas válvulas muy versátiles. Tiene una gran capacidad de adaptación a las múltiples solicitaciones de la industria, tamaños, presiones, temperaturas, conexiones, etc. a un coste relativamente bajo. El desarrollo de la válvula de mariposa es más reciente que en otro tipo de válvulas. Una mayor concienciación en el ahorro energético de las instalaciones favoreció su introducción, ya que su pérdida de carga es pequeña. En un principio se usaba en instalaciones a poca presión de servicio, pero mejoras tecnológicas permitió evolucionar la válvula de mariposa a usos de altas prestaciones.
El funcionamiento básico de las válvulas de mariposa es sencillo pues sólo requiere una rotación de 90º del disco para abrirla por completo. La operación es como en todas las válvulas rotativas rápida. Poco desgaste del eje, poca fricción y por tanto un menor par, que resulta en un actuador más barato.
El actuador puede ser manual, oleohidráulico o motorizado eléctricamente, con posibilidad de automatización. La geometría de la válvula de mariposa es sencilla, compacta y de revolución, por lo que es una válvula barata de fabricar, tanto por el ahorro de material como la mecanización. El menor espacio que ocupan facilita su montaje en la instalación. En este sentido, las válvulas de compuerta y globo resultan muy pesadas y de geometría compleja. Por todo ello, las válvulas de mariposa son especialmente atractivas en grandes tamaños respecto otro tipo de válvulas. La pérdida de carga es pequeña. Cuando la válvula está totalmente abierta, la corriente circula de forma aerodinámica alrededor del disco, y aunque la pérdida de carga es ligeramente superior a las válvulas esféricas o de compuerta, ya que estás tienen la sección totalmente libre de obstáculos, es claramente inferior a la válvula globo.
Las válvulas de mariposa pueden estar preparadas para admitir cualquier tipo de fluido gas, líquido y hasta sólidos. A diferencia de las válvulas de compuerta, globo o bola, no hay cavidades donde pueda acumularse sólidos impidiendo la maniobrabilidad de la válvula. La presión y temperatura de diseño son factores relacionados, a una misma presión, con el aumento de la temperatura, baja las prestaciones de la válvula por la menor capacidad que tienen los materiales a altas temperatura.
De la misma forma que las válvulas de compuerta, globo, y bola, admite asientos metálicos que pueden soportar grandes presiones y temperaturas extremas.
Recomendada para: 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.
Ventajas: Ligera de peso, compacta, bajo costo. Requiere poco mantenimiento. Número mínimo de piezas móviles.
No tiene bolas o cavidades. Alta capacidad. Circulación en línea recta. Se limpia por sí sola.
Desventajas: Alta torsión (par) para accionarla. Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula mariposa.
Válvula de bola
Esta válvula es pequeña y tiene bajo coste, por lo cual es muy utilizada en la industria. El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre). La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que gira transversalmente accionada por un actuador exterior.
El cierre estanco y la deslizabilidad se logran con un aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula está cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño a 75% del tamaño de la tubería.
La válvula de bola se emplea principalmente en el control de caudal de fluidos negros, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión. Puede ser de muchos materiales, generalmente de bronce cromado y en menor caso de acero inoxidable.
Recomendada para: Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación.
Cuando se requiere apertura rápida. Para temperaturas moderadas. Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.
Ventajas Bajo costo. Alta capacidad. Corte bidireccional. Circulación en línea recta. Pocas fugas. Se limpia por sí sola. Poco mantenimiento. No requiere lubricación. Tamaño compacto. Cierre hermético con baja torsión (par).
Desventajas Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. Propensa a la cavitación.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de bola.
Más detallada:
Válvula de obturador excéntrico
Consiste en un obturador de superficie esférica o cilíndrica que tiene un movimiento excéntrico rotativo y que está unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles.
El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por un vástago conectado a un servomotor. Su par es reducido gracias al movimiento excéntrico de la cara esférica del obturador.
La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa y de bola y por su elevada pérdida de carga admisible.
Válvula de obturador excéntrico rotativo
Consiste en un obturador de superficie esférica que tiene un movimiento excéntrico rotativo y que esta unido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles.
El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por un vástago conectado a un servomotor. El par de este es reducido gracias al movimiento excéntrico de de la cara esférica del obturador.
La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" (la empresa me prohibió poner el nombre comercial) dispuestos en el asiento y se
caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas mariposa y de bola y por su elevada perdida de carga admisible.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de obturador excéntrico rotativo.
Válvula de obturador cilíndrico excéntrico
Tiene un obturador cilíndrico excéntrico que asienta contra un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se logra con un revestimiento de goma o "resina anti-adherente" ó "fluoropolímero" (la empresa me prohibió poner el nombre comercial) en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. La válvula es de bajo coste y tiene una capacidad relativamente alta. Es adecuada para fluidos corrosivos, y líquidos viscosos o conteniendo sólidos en suspensión.
La figura ilustra el esquema de funcionamiento de una válvula de obturador cilíndrico excéntrico.
