Válvulas 101

Una válvula puede definirse como un dispositivo mecánico que sirve para abrir, cerrar o controlar la capacidad de flujo de lquidos o gases mediante una pieza móvil. Las válvulas son uno de los instrumentos de control más esenciales en la industria. 

Válvulas de control

Los últimos elementos de control más utilizados a nivel industrial son las válvulas de control, que esencialmente tienen aperturas variables provocadas por un actuador. Como resultado de su capacidad para ajustar el flujo del fluido de control, que altera el valor de la variable medida, se han convertido en un componente crucial del control de procesos. En la siguiente figura se muestran los numerosos componentes que conforman una válvula de globo con actuador neumático de diafragma:

Una señal neumática o eléctrica procedente del exterior es utilizada por las válvulas de control para crear una señal que impacte en el actuador. Los siguientes dos componentes pueden ser considerados como sus componentes:

Actuador

También conocido como motor o accionamiento, es el componente que toma la señal del controlador y la convierte en un desplazamiento (lineal o rotativo) como resultado de un cambio en la presión aplicada al diafragma. Los componentes básicos de un actuador neumático son un diafragma, un vástago y un muelle.

Cuerpo

Tiene un obturador o disco, los asientos correspondientes, la jaula, el vástago y una serie de accesorios. Para conectar la válvula y la tubería se pueden utilizar extremos embridados, roscados o soldados a la tubería. El obturador tiene la capacidad de moverse angularmente en la dirección de su propio eje y regula la cantidad de fluido que pasa por la válvula. Está unido al accionamiento por un vástago.

El cuerpo de la válvula debe resistir variables como la presión y la temperatura del fluido sin presentar fugas. Además de tener el tamaño adecuado para restringir el flujo, el metal resistente a los fluidos también debe ser impermeable a la erosión o la corrosión.

Tipos de Válvulas de control

Dependiendo de la forma del cuerpo de la válvula y del movimiento del obturador, hay muchos tipos de válvulas de control. Hay que tener en cuenta los requisitos del proceso a la hora de elegir el tipo de válvula que se va a utilizar. Pero en ocasiones, otros factores, como un presupuesto ajustado, pueden hacer necesaria la adopción de un tipo concreto, aunque no sea la mejor opción. Sin embargo, para que su aplicación se considere adecuada, la válvula seleccionada debe proporcionar al proceso y a las personas que operan en él la seguridad y la eficacia necesarias.

Según el sentido de desplazamiento del obturador con respecto a su propio eje, las válvulas pueden dividirse en dos categorías: aquellas en las que el obturador se mueve con un movimiento de rotación y aquellas en las que se mueve con un movimiento lineal.

Válvulas de control de movimiento lineal

– Válvulas de control tipo globo

Se trata de un tipo particular de válvula con un tapón cónico conectado que se acciona mediante un vástago para abrir, cerrar o controlar el flujo de líquido o gas a través del orificio que se encuentra en el cuerpo de la válvula.

Estas válvulas permiten controlar el flujo del fluido que, como resultado del diseño de la válvula, cambia de dirección al pasar por ella y presenta una importante oposición a su circulación.

Esta válvula de globo tiene un buen rendimiento en términos de cierre hermético. Pero debido a la desviación del curso del fluido en el interior de la válvula, se producen importantes pérdidas de presión.

En su diseño se pueden utilizar válvulas de obturador de simple asiento, de doble asiento o equilibradas. Las válvulas de asiento simple necesitan un actuador más grande para que el obturador cierre contra la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando se necesita una fuga mínima o nula en la posición de cierre y hay poca presión de fluido. Para conseguir la estanqueidad se utilizan tapones equipados con un asiento blando de PTFE/Teflon o metálico. La fuerza de desequilibrio creada por la presión diferencial a través del obturador en una válvula de doble asiento o de obturador equilibrado es menor que en una válvula de un solo asiento. Por ello, se utiliza en válvulas de gran tamaño o en otras situaciones que requieren una presión diferencial elevada.

Las válvulas de compuerta cuestan menos que las de globo, que son más caras. Para fabricarlas se puede utilizar casi cualquier material, como acero al carbono, acero inoxidable, hierro, PVC, CPVC, bronce y acero forjado. Sus extremos también pueden ser roscados, embridados, soldados por encastre (SW) y soldados a tope.

Además de la función de cierre, estas válvulas son muy utilizadas en la regulación del caudal y en el trabajo en posición intermedia.

Como sufren apreciables pérdidas de carga, no es aconsejable utilizarlas en los casos en que deban ser normalmente abiertas. En cuanto a los fluidos conducidos, se utilizan con vapores, líquidos y gases.

Las válvulas de doble asiento se utilizan para regular caudales a altas temperaturas y presiones. Si son válvulas de tres vías, regulan la mezcla o distribución de caudales. 

Las válvulas de control de tipo jaula tienen un control más preciso que las de asiento simple y se prefieren para presiones y temperaturas elevadas y secciones transversales pequeñas, por ejemplo, en instrumentos de medición y como trampas de vapor.

Las válvulas de aguja superan a las válvulas de control de tipo jaula en cuanto a la precisión de la regulación; con una descarga gota a gota se puede conseguir. Sin embargo, las válvulas de aguja son de tamaño reducido. Son muy adecuadas para presiones y temperaturas muy elevadas, y son igualmente aplicables en instrumentación, medición y como purgadores. En general, se utilizan en diversas aplicaciones, como servicios generales, líquidos, vapores, gases, corrosivos y pastas semilíquidas.

– Válvula de control de ángulo

Es una válvula con un eje de salida perpendicular al eje de entrada. Proporciona un flujo regular sin excesivas turbulencias y es útil para reducir la erosión cuando ésta es significativa debido a las propiedades del fluido o a una elevada presión diferencial. Su diseño es apropiado para controlar fluidos que se vaporizan (flashing), tratar con altas presiones diferenciales y fluidos que contienen partículas en suspensión.

– Válvula de control de tres vías

Recibe su nombre del hecho de que contiene tres puertos: uno de entrada y dos de salida, o dos de entrada y uno de salida. Los mecanismos de accionamiento de la válvula pueden dirigir el flujo de fluido a través de una o ambas salidas o aceptar fluido de una o ambas entradas, según sea necesario. Además, pueden mezclar o dividir un flujo de entrada en dos direcciones en cantidades predeterminadas. Cuando las válvulas de control de tres vías de tipo mezclador combinan fluidos de dos entradas en una sola salida, se denominan válvulas de control de tres vías de tipo desviador cuando separan los fluidos entre dos salidas.

Las válvulas de tres vías se emplean a menudo en la regulación de la temperatura de los intercambiadores de calor.

– Válvula de control tipo jaula

Se compone de un tapón cilíndrico que se desliza en una jaula con orificios que corresponden a las características de flujo de la válvula. Se distingue por la facilidad de desmontaje del embellecedor y por la capacidad de añadir orificios que minimizan eficazmente el desequilibrio de fuerzas causado por la presión diferencial, favoreciendo así la estabilidad de la operación. La resistencia a las vibraciones y al desgaste de este tipo de válvula está relacionada con el hecho de que el tapón está confinado dentro de la jaula.

El embellecedor de este tipo de válvula, por otra parte, puede tener un asiento blando de teflón o PTFE, que se asienta contra la jaula cuando la válvula está cerrada, lo que permite crear un sello hermético.

– Válvula de compuerta

Esta válvula se cierra mediante un disco vertical plano o de forma especial que se desplaza verticalmente en contra del flujo del fluido. Debido a su configuración, suele ser adecuada para el control de todas las vías, ya que tiende a bloquearse en posiciones intermedias. Tiene la ventaja de ofrecer muy poca resistencia al movimiento del fluido cuando está completamente abierto.

Está indicada para pequeñas cantidades de fluido o líquido atascado en la tubería y se utiliza en servicios generales, petróleo, gas, líquidos espesos, vapor y líquidos no condensables, entre otros.

Debido a que el movimiento de traslación de la compuerta es muy lento, se aconseja su uso cuando no se requieren operaciones frecuentes y deben emplearse en estado abierto o cerrado en su totalidad. Tampoco se aconseja su uso en servicios de regulación o estrangulamiento porque el choque del fluido con la compuerta parcialmente abierta generará vibraciones y sonidos no deseados, así como erosión en las superficies de los asientos y de la compuerta.

Tiene las ventajas de baja resistencia al flujo, cierre hermético, diseño y funcionamiento sencillos, bajo coste y alta capacidad; sin embargo, tiene el inconveniente de que requiere mucha fuerza para funcionar, debe estar tapada o completamente cerrada, produce cavitación con baja caída de presión y la posición de estrangulamiento provocará la erosión del asiento y el disco.

– Válvula tipo Y

Se caracteriza por su mínima pérdida de presión y su gran capacidad de caudal como válvula de control. Puede utilizarse como válvula de cierre y de control.

Cuando se inclina en un ángulo específico de tipo Y, posee una propiedad de autodrenaje. Es habitual encontrarla en sistemas criogénicos.

– Válvula de globo dividida

Es una variante de la válvula de globo de un solo asiento en la que el cuerpo está dividido en dos secciones a través de las cuales se fuerza el asiento. Este sistema permite una rápida sustitución del asiento y un flujo suave del fluido sin zonas muertas en el cuerpo. Este tipo de válvula se utiliza habitualmente en el sector alimentario y para fluidos viscosos.

– Válvula de diafragma

El disco de esta válvula es un diafragma flexible que se presiona contra un bonete del cuerpo mediante un vástago unido a un actuador o volante, bloqueando así el paso del fluido. El cuerpo de la válvula puede cubrirse fácilmente con caucho o plástico para hacer frente a los fluidos corrosivos.

Se utiliza sobre todo en procesos químicos difíciles, como la manipulación de sólidos o fluidos corrosivos o la gestión de fluidos que contienen partículas en suspensión.

– Válvula de Compresión/Válvulas de pinza

Es un dispositivo que aprieta dos o más partes flexibles, como un tubo de goma. Al igual que las válvulas de diafragma, se distinguen por ofrecer el mejor control mientras están parcialmente cerradas.

Se utilizan sobre todo en la manipulación de fluidos negros corrosivos y viscosos o que contienen partículas sólidas en suspensión.

Válvulas de movimiento rotativo

– Válvula de obturador rotativo excéntrico

Está formada por un obturador de superficie esférica con movimiento rotativo excéntrico que está unido al eje giratorio a través de uno o dos brazos flexibles. Un eje actuador acciona el eje giratorio que se extiende más allá del cuerpo. La rotación excéntrica de la superficie del obturador esférico reduce el par de torsión. La válvula tiene una gran capacidad de flujo equivalente a la de las válvulas de mariposa y de bola, así como una elevada caída de presión permitida.

– Válvula de mariposa

Una válvula de mariposa está formada por un cuerpo y un disco circular que gira transversalmente. Un anillo de goma colocado en el cuerpo permite cerrarlo herméticamente. Un actuador externo acciona el eje giratorio del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está totalmente abierta. En el control de apertura total, se considera un giro de 90°, y en el control continuo, de 60°. partiendo de la posición de cierre porque la última parte del giro es bastante inestable, siempre que la presión diferencial se mantenga constante. Es fundamental tener en cuenta las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones totalmente abierta y cerrada al seleccionar la válvula; el accionamiento de la válvula en el caso de una caída de presión importante requiere una fuerza considerable del actuador.

Las válvulas de mariposa se utilizan para gestionar flujos de alta y baja presión.

– Válvula de bola

Un compartimento interno esférico en el cuerpo de la válvula alberga una bola o un tapón en forma de esfera. La bola tiene un recorte apropiado (normalmente en forma de V) que define la curva característica de la válvula, y gira transversalmente impulsada por un acutador externo. Un anillo de teflón/PTFE integrado en el cuerpo sella la válvula cuando está cerrada. La válvula ocupa aproximadamente el 75% del tamaño de la tubería cuando está completamente abierta. La válvula de bola se utiliza principalmente para regular el flujo de fluidos negros, o fluidos con un alto porcentaje de partículas en suspensión.

Dimensionamiento de válvulas

El dimensionamiento de la válvula se utiliza para determinar el tipo de válvula, el diseño de la guarnición y los parámetros del tamaño de la válvula. Obviamente, debido al presupuesto limitado, el propietario quiere mantener el coste lo más bajo posible, y cuanto menor sea el tamaño de la válvula, menor será el coste, al tiempo que se cumplen los parámetros del proceso, lo que constituye un aspecto económico. Sin embargo, también hay razones técnicas, ya que las válvulas sobredimensionadas pueden funcionar mal en el lazo de control.
En el caso de las válvulas de control, el valor Cv es uno de los valores más básicos e importantes que hay que calcular.

Cv es el coeficiente de flujo de la válvula y depende del tipo, el diámetro y el grado de apertura de la válvula. La fórmula básica para calcular el Cv es 

Líquidos

Gases

Vapor de agua

Donde:

F: Caudal. Para líquidos en (gal/min), para vapor en (lb/h) y para gases en (ft3/s) estándar (60 °F y 14.7 psia).

P1: Presión aguas arriba (psia).

P2: Presión aguas abajo(psia).

ΔPV: Pérdida de carga en la válvula en (psig).

Tsh: Recalentamiento del vapor respecto de las condiciones de saturación (°F).
Vale cero para vapor saturado.

ϒ: Densidad relativa del líquido respecto del agua a 60 °F.

G: Densidad relativa del gas respecto al aire a 60 °F y 14.7 psia.

T1: Temperatura del gas a la entrada de la válvula.

Esto sólo se aplica cuando el régimen de flujo es subcrítico y turbulento. Además, en el caso de los líquidos, debe confirmarse que no se producirá cavitación. Si el medio es viscoso o transitorio, deben utilizarse otras fórmulas. Cuando el líquido tiene vaporización parcial, el medio es crítico y se considera con una ecuación diferente y un factor adicional. En el caso de los gases, también hay que tener en cuenta si el medio es crítico o transitorio.
Para un determinado tipo de válvula, el coeficiente Cv lo proporciona el fabricante y depende del diámetro (d) y de la apertura (x).

Cv = Cv(d,x)

Los fabricantes proporcionan tablas de Cv en función del diámetro y la apertura. Los datos necesarios para dimensionar una válvula incluyen:

1. La presión aguas arriba y aguas abajo de la válvula de control
2. El rango de la capacidad de flujo de trabajo
3. Temperatura y propiedades físicas del fluido

Características de flujo de las válvulas de control

La característica de caudal es la relación entre el caudal que pasa por una válvula y su apertura. Los fabricantes dan lo que se conoce como la característica de flujo inherente, que es la relación de flujo de apertura para una caída de presión constante, que es en definitiva la relación Cv/apertura.
Se trata de una característica inherente a la válvula. La tabla 1 y la figura 1 muestran algunas de las características intrínsecas que están ampliamente dispersas entre los fabricantes.

La relación de flujo de apertura de la válvula en la línea durante la aplicación de funcionamiento es la característica de flujo instalada. Cuando se monta una válvula de control en una planta de proceso, la característica de flujo de la válvula viene determinada por la Característica Inherente y el resto del sistema.

La figura 2 muestra cómo la pérdida de carga en la válvula (PV) y la pérdida de carga en la línea (PL) varían con el caudal.

La pérdida de carga en la válvula (PV), así como en la línea (PL), varía en función del caudal, como se muestra en la figura 3.
El coeficiente se utiliza para cuantificar el impacto de la instalación en la característica de flujo de la válvula.

y como

Si α=1, la línea no tiene ningún efecto sobre la característica de caudal, ya que toda la pérdida de carga se concentra en la válvula, independientemente del caudal.
La instalación se producirá con mayor frecuencia si los valores de α disminuyen.
De los gráficos de las figuras 4 y 5 se desprende que la instalación puede afectar significativamente a la característica de caudal instalada, provocando distorsiones importantes en algunas circunstancias respecto a la inherente.

Válvulas de control de la ganancia

En general, la ganancia es la relación del aumento de la salida con respecto a la entrada. También se conoce como sensibilidad cuando se aplica a las mediciones y se suele denominar ganancia estática en los ajustes de estado estacionario.
Sin embargo, la ganancia de una válvula dependerá de sus condiciones de funcionamiento y de cómo interactúe con las demás partes del sistema.

Obturador y asiento(s) para válvulas de control

Los componentes metálicos interiores reemplazables de la válvula que están en contacto directo con el fluido se consideran normalmente sus componentes internos. Estos componentes son el vástago, la empaquetadura, el obturador, los anillos guía del vástago, el collarín de lubricación de la empaquetadura (si se utiliza) y el (los) asiento(s). Hay que tener en cuenta que el obturador y el asiento contribuyen al “corazón de la válvula”, ya que son los responsables tanto de cerrar el paso del fluido como de controlar el caudal a través del orificio variable mediante el ajuste de sus respectivas posiciones.

Principales puntos que intervienen en la selección del obturador y los asientos

1. Materiales específicamente diseñados para anti-corrosión, erosión y desgaste causados por el fluido.
2. Características de flujo que varían según la carrera.
3. Tamaño normal o reducido que permite a la válvula tener múltiples capacidades de flujo con el mismo tamaño de cuerpo.

El acero inoxidable se utiliza a menudo para el obturador y los asientos porque tiene una excelente resistencia a la corrosión y a la erosión del fluido.
El actuador puede ser neumático, eléctrico, hidráulico o digital, aunque generalmente se utilizan los actuadores neumáticos y eléctricos porque son más sencillos, rápidos de manejar y tienen una gran capacidad de esfuerzo. En el proceso de la industria, podemos ver que el 90% de las válvulas automáticas se utilizan actuador neumático.

In Conclusion

Hay mucha más información técnica sobre las válvulas industriales, no podemos enumerarlas todas en un solo artículo. THINKTANK(STONE) es un proveedor y fabricante confiable de válvulas de control, una fábrica de válvulas de Taiwán con más de 30 años de experiencia en la fabricación de válvulas, si tiene alguna pregunta, no dude en dejarnos un mensaje o enviarnos un correo electrónico.