Válvulas de control

Este tutorial describe brevemente los componentes básicos de los diferentes tipos de válvulas de control de acción lineal y rotativa disponibles para su uso en sistemas de vapor y agua.

El Bloque 6 de The Steam and Condensate Loop considera los aspectos prácticos del control, poniendo en práctica la teoría básica de control discutida en el Bloque 5.

Un sistema de control básico normalmente consistiría en los siguientes componentes:

• Válvulas de control
• Actuadores.
• Controladores.
• Sensores. Todos estos términos son genéricos y cada uno puede incluir muchas variaciones y características. Con el avance de la tecnología, la línea divisoria entre los elementos individuales de equipo y sus definiciones se está volviendo menos clara. Por ejemplo, el posicionador, que tradicionalmente ajustaba la válvula a una posición particular dentro de su rango de recorrido, ahora puede:
• Tomar la entrada directamente de un sensor y proporcionar una función de control.
• Interactuar con una computadora para alterar las funciones de control y ejecutar rutinas de diagnóstico.
• Modificar los movimientos de la válvula para alterar las características de la válvula de control.
• Interactuar con los sistemas de comunicación digital de la planta. Sin embargo, por claridad en este punto, cada elemento de equipo se considerará por separado.

Válvulas de control

Aunque existe una amplia variedad de tipos de válvulas, este documento se centrará en las que son más ampliamente utilizadas en el control automático de vapor y otros fluidos industriales. Estas incluyen:

• Tipos de válvulas que tienen movimiento lineal y rotativo del husillo.
• Los tipos lineales incluyen válvulas de globo y válvulas de corredera.
• Los tipos rotativos incluyen válvulas de bola, mariposa, de tapón y sus variantes. La primera elección que se debe hacer es entre válvulas de dos puertos y tres puertos.
• Las válvulas de dos puertos ‘estrangulan’ (restringen) el fluido que pasa a través de ellas.
• Las válvulas de tres puertos pueden usarse para ‘mezclar’ o ‘desviar’ el líquido que pasa a través de ellas.

Válvulas de dos puertos

Válvulas de globo Las válvulas de globo se usan frecuentemente para aplicaciones de control debido a su idoneidad para estrangular el flujo y la facilidad con la que se les puede dar una ‘característica’ específica, relacionando la apertura de la válvula con el flujo. Dos tipos típicos de válvulas de globo se muestran en la Figura 6.1.1. Un actuador acoplado al husillo de la válvula proporcionaría el movimiento de la válvula.

Las principales partes constitutivas de las válvulas de globo son:

• El cuerpo.
• La boneta.
• El asiento de la válvula y el obturador, o trim.
• El husillo de la válvula (que se conecta al actuador).
• El arreglo de sellado entre el vástago de la válvula y la boneta. La Figura 6.1.2 es una representación esquemática de una válvula de globo de dos puertos de asiento simple. En este caso el flujo del fluido empuja contra el obturador de la válvula y tiende a mantener el obturador fuera del asiento de la válvula.

La diferencia de presión aguas arriba (P1) y aguas abajo (P2) de la válvula, contra la cual la válvula debe cerrar, se conoce como la presión diferencial (ΔP). La presión diferencial máxima contra la cual una válvula puede cerrar dependerá del tamaño y tipo de válvula y del actuador que la opera.

En términos generales, la fuerza requerida del actuador puede determinarse usando la Ecuación 6.1.1.

En un sistema de vapor, la presión diferencial máxima generalmente se asume como la misma que la presión absoluta aguas arriba. Esto permite posibles condiciones de vacío aguas abajo de la válvula cuando la válvula se cierra. La presión diferencial en un sistema de agua cerrado es la carga diferencial máxima de la bomba.

Si se usa una válvula más grande, con un orificio mayor, para pasar volúmenes mayores del medio, entonces la fuerza que el actuador debe desarrollar para cerrar la válvula también aumentará. Cuando se deban pasar capacidades muy grandes usando válvulas grandes, o donde existan presiones diferenciales muy altas, se alcanzará el punto en que resulte impráctico proporcionar fuerza suficiente para cerrar una válvula convencional de asiento simple. En tales circunstancias, la solución tradicional a este problema es la válvula de dos puertos de doble asiento. Como su nombre indica, la válvula de doble asiento tiene dos obturadores en un husillo común, con dos asientos de válvula. No solo los asientos de la válvula pueden mantenerse más pequeños (ya que hay dos de ellos) sino también, como se puede ver en la Figura 6.1.3, las fuerzas están parcialmente equilibradas. Esto significa que aunque la presión diferencial intenta mantener el obturador superior fuera de su asiento (como con una válvula de asiento simple) también intenta empujar hacia abajo y cerrar el obturador inferior.

Sin embargo, un problema potencial existe con cualquier válvula de doble asiento. Debido a las tolerancias de fabricación y los diferentes coeficientes de expansión, pocas válvulas de doble asiento pueden garantizar un buen cierre hermético.

Estanqueidad de cierre

La fuga de las válvulas de control se clasifica respecto a cuánto goteará la válvula cuando esté completamente cerrada. La tasa de fuga a través de una válvula de doble asiento estándar es como máximo Clase III, (una fuga del 0.1% del flujo total), lo cual puede ser demasiado para hacerla adecuada para ciertas aplicaciones. Consecuentemente, porque las rutas de flujo a través de los dos puertos son diferentes, las fuerzas pueden no permanecer equilibradas cuando la válvula se abre. Existen varias normas internacionales que formalizan las tasas de fuga en válvulas de control. Las siguientes tasas de fuga se toman de la Norma Británica BS 5793 Parte 4 (IEC 60534-4). Para una válvula de asiento simple estándar no equilibrada, la tasa de fuga será normalmente Clase IV, (0.01% del flujo total), aunque es posible obtener Clase V, (1.8 x 105 x presión diferencial (bar) x diámetro del asiento (mm). Generalmente, cuanto menor sea la tasa de fuga, mayor será el costo.

Válvulas de asiento simple equilibradas

Debido al problema de fuga asociado con las válvulas de doble asiento, cuando se requiere un cierre hermético se debe especificar una válvula de asiento simple. Las fuerzas requeridas para cerrar una válvula de globo de asiento simple aumentan considerablemente con el tamaño de la válvula. Algunas válvulas están diseñadas con un mecanismo de equilibrio para reducir la fuerza de cierre necesaria, especialmente en válvulas que operan con grandes presiones diferenciales. En una válvula equilibrada por pistón, parte de la presión del fluido aguas arriba se transmite a través de vías internas a un espacio sobre el obturador de la válvula, que actúa como una cámara de equilibrio de presión. La presión contenida en esta cámara proporciona una fuerza descendente sobre el obturador como se muestra en la Figura 6.1.4, equilibrando la presión aguas arriba y asistiendo la fuerza normal ejercida por el actuador, para cerrar la válvula.

Válvulas de corredera, operadas por husillo

Las válvulas de corredera tienden a venir en dos diseños diferentes; tipo compuerta cuña y tipo corredera paralela. Ambos tipos están bien adaptados para aislar el flujo de fluido, ya que proporcionan un cierre hermético y, cuando están abiertas, la caída de presión a través de ellas es muy pequeña. Ambos tipos se usan como válvulas operadas manualmente, pero si se requiere actuación automática, generalmente se elige la válvula de corredera paralela, ya sea para aislamiento o control. Las válvulas típicas se muestran en la Figura 6.1.5.

La válvula de corredera paralela cierra por medio de dos discos deslizantes cargados por resorte (resortes no mostrados), que pasan a través de la ruta de flujo del fluido, la presión del fluido asegurando una unión hermética entre el disco aguas abajo y su asiento. Las válvulas de corredera paralela de gran tamaño se usan en líneas principales de vapor y alimentación en las industrias de energía y procesos para aislar secciones de la planta. Las correderas paralelas de pequeño calibre también se usan para el control de servicios auxiliares de vapor y agua, aunque, principalmente debido al costo, estas tareas a menudo se realizan usando válvulas de bola actuadas y válvulas de tipo pistón.

Válvulas de tipo rotativo

Las válvulas de tipo rotativo, a menudo llamadas válvulas de cuarto de vuelta, incluyen válvulas de tapón, de bola y de mariposa. Todas requieren un movimiento rotativo para abrir y cerrar, y pueden fácilmente equiparse con actuadores.

Válvulas de tapón excéntrico

La Figura 6.1.6 muestra una válvula de tapón excéntrico típica. Estas válvulas normalmente se instalan con el husillo del tapón horizontal como se muestra, y el actuador adjunto situado junto a la válvula. Las válvulas de tapón pueden incluir enlaces entre el tapón y el actuador para mejorar la ventaja mecánica y la fuerza de cierre, y posicionadores especiales que modifican la característica inherente de la válvula a una característica de porcentaje igual más útil (las características de las válvulas se discuten en el Módulo 6.5).

Válvulas de bola

La Figura 6.1.7 muestra una válvula de bola que consiste en una bola esférica ubicada entre dos anillos de sellado en un cuerpo simple. La bola tiene un agujero que permite pasar el fluido. Cuando está alineada con los extremos de la tubería, esto proporciona un flujo de paso completo o casi completo con muy poca caída de presión. Rotar la bola 90° abre y cierra el paso de flujo. Las válvulas de bola diseñadas específicamente para propósitos de control tendrán bolas o asientos caracterizados, para dar un patrón de flujo predecible.

Las válvulas de bola son un medio económico para proporcionar control con cierre hermético para muchos fluidos incluyendo vapor a temperaturas de hasta 250°C (38 bar g, vapor saturado). Por encima de esta temperatura, son necesarios materiales de asiento especiales o asientos metal a metal, que pueden ser costosos. Las válvulas de bola se accionan fácilmente y a menudo se usan para aislamiento y control remoto. Para aplicaciones de control crítico, están disponibles bolas segmentadas y bolas con agujeros de forma especial para proporcionar diferentes características de flujo.

Válvulas de mariposa

La Figura 6.1.8 es un diagrama esquemático simple de una válvula de mariposa, que consiste en un disco que gona en cojinetes de pivote. En la posición abierta el disco es paralelo a la pared de la tubería, permitiendo el flujo completo a través de la válvula. En la posición cerrada se gira contra un asiento, y perpendicular a la pared de la tubería.

Tradicionalmente, las válvulas de mariposa estaban limitadas a presiones y temperaturas bajas, debido a las limitaciones inherentes de los asientos blandos usados. Actualmente, están disponibles válvulas con asientos de alta temperatura o asientos metal a metal de alta calidad y especialmente mecanizados para superar estas desventajas. Las válvulas de mariposa estándar se usan ahora en aplicaciones de control simples, particularmente en tamaños mayores y donde se requiere una rangabilidad limitada.

Están disponibles válvulas de mariposa especiales para funciones más exigentes. Un fluido que fluye a través de una válvula de mariposa crea una caída de presión baja, en que la válvula presenta poca resistencia al flujo cuando está abierta. En general, sin embargo, sus límites de presión diferencial son menores que los de las válvulas de globo. Las válvulas de bola son similares excepto que, debido a sus diferentes arreglos de sellado, pueden operar contra presiones diferenciales más altas que las válvulas de mariposa equivalentes.

Opciones

Siempre hay una serie de opciones a considerar al elegir una válvula de control. Para válvulas de globo, estas incluyen una elección de material de empaquetadura del prensaestopas del husillo y configuraciones de empaquetadura del prensaestopas, que están diseñadas para hacer la válvula adecuada para uso a temperaturas más altas o para diferentes fluidos. Algunos ejemplos de estos pueden verse en los diagramas esquemáticos simples de la Figura 6.1.9. Vale la pena señalar que ciertos tipos de empaquetadura del prensaestopas producen una mayor fricción con el husillo de la válvula que otros. Por ejemplo, el tipo tradicional de empaquetadura de caja de estopa creará mayor fricción que el tipo PTFE chevron cargado por resorte o el tipo sellado por fuelle. Mayor fricción requiere una mayor fuerza del actuador y tendrá una mayor propensión a un movimiento errático. La empaquetadura cargada por resorte se reajusta sola a medida que se desgasta. Esto reduce la necesidad de mantenimiento manual regular. Las válvulas selladas por fuelle son las más costosas de estos tres tipos, pero proporcionan la mínima fricción con el mejor mecanismo de sellado del vástago. Como se puede ver en la Figura 6.1.9, las válvulas selladas por fuelle generalmente tienen otro juego de empaquetadura tradicional en la parte superior del alojamiento del husillo de la válvula. Esto actuará como una defensa final contra cualquier posibilidad de fuga a través del husillo hacia la atmósfera.

Las válvulas también tienen diferentes formas de guiar el obturador dentro del cuerpo. Un método común de guiado, como se muestra en la Figura 6.1.10, es el método de ‘doble guiado’, donde el husillo se guía tanto en la parte superior como inferior de su longitud. Otro tipo es el método de ‘obturador guiado’ donde el obturador puede ser guiado por una jaula o un marco. Algunas válvulas pueden emplear obturadores perforados, que combinan el guiado del obturador y la reducción de ruido.

Resumen de válvulas de dos puertos usadas para control automático

Por mucho, el tipo de válvula más ampliamente utilizado para el control automático de procesos y aplicaciones de vapor es la válvula de globo. Es relativamente fácil de accionar, es versátil, y tiene características inherentes bien adaptadas a las necesidades de control automático del vapor. También debe decirse que las válvulas de control automático de dos puertos también se usan dentro de sistemas de líquidos, como sistemas de agua caliente de baja, media y alta temperatura, y sistemas de aceite térmico. Los sistemas de líquidos tienen una necesidad inherente de ser equilibrados respecto a los flujos másicos. En muchos casos, los sistemas se diseñan donde se pueden usar válvulas de dos puertos sin destruir el equilibrio de las redes de distribución. Sin embargo, cuando no se pueden usar válvulas de dos puertos en un sistema de líquidos, se instalan válvulas de tres puertos, que inherentemente mantienen un equilibrio a través del sistema de distribución, actuando de manera de desvío o mezcla.

Válvulas de tres puertos

Las válvulas de tres puertos pueden usarse tanto para servicio de mezcla como de desvío dependiendo del arreglo de obturador y asiento dentro de la válvula. Una definición simple de cada función se muestra en la Figura 6.1.11.

Válvulas de pistón

Este tipo de válvula tiene un pistón hueco, (Figura 6.1.12), que se mueve arriba y abajo por el actuador, cubriendo y correspondientemente descubriendo los dos puertos A y B. El puerto A y el puerto B tienen la misma área total de tránsito de fluido, y en cualquier momento, el área transversal acumulada de ambos es siempre igual. Por ejemplo, si el puerto A está abierto al 30%, el puerto B está abierto al 70%, y viceversa. Este tipo de válvula es inherentemente equilibrada y es alimentada por un sistema de control de auto-accionamiento. Nota: La configuración de puertos puede variar entre fabricantes.

Válvulas de globo de tres puertos (también llamadas ‘lift and lay’)

Aquí, el actuador empuja un disco o par de obturadores entre dos asientos (Figura 6.1.13), aumentando o disminuyendo el flujo a través de los puertos A y B de manera correspondiente.

Nota: Una característica lineal se logra perfilando la falda del obturador (ver Figura 6.1.14).

Válvula de tres puertos de zapata rotativa

Este tipo de válvula emplea una zapata rotativa, que se desplaza a través de las caras de los puertos. El arreglo esquemático en la Figura 6.1.15 ilustra una aplicación de mezcla con aproximadamente 80% fluyendo a través del puerto A y 20% a través del puerto B, 100% para salir a través del puerto AB.

Uso de válvulas de tres puertos

No todos los tipos pueden usarse tanto para servicio de mezcla como de desvío. La Figura 6.1.16 muestra la aplicación incorrecta de una válvula de globo fabricada como válvula de mezcla pero usada como válvula de desvío.

El flujo que entra en la válvula a través del puerto AB puede salir por cualquiera de los dos puertos de salida A o B, o una proporción puede salir de cada uno. Con el puerto A abierto y el puerto B cerrado, la presión diferencial del sistema se aplicará a un lado del obturador.

Cuando el puerto A está cerrado, el puerto B está abierto, y la presión diferencial se aplicará al otro lado del obturador. En alguna posición intermedia del obturador, la presión diferencial se invertirá. Esta inversión de presión puede causar que el obturador se salga de posición, dando un control deficiente y posible ruido cuando el obturador ‘vibra’ contra su asiento. Para superar este problema en una válvula de tipo obturador diseñada para desvío, se usa una configuración de asiento diferente, como se muestra en la Fig. 6.1.17. Aquí, la presión diferencial se aplica por igual a los mismos lados de ambos obturadores de la válvula en todo momento.

En circuitos cerrados, es posible usar válvulas de mezcla o válvulas de desvío, dependiendo del diseño del sistema, como se representa en las Figuras 6.1.18 y 6.1.19.

En la Figura 6.1.18, la válvula está diseñada como válvula de mezcla ya que tiene dos entradas y una salida. Sin embargo, cuando se coloca en la tubería de retorno de la carga, en realidad realiza una función de desvío, ya que desvía el agua caliente del intercambiador de calor.

Considere la válvula de mezcla usada en la Figura 6.1.18, cuando el intercambiador de calor está solicitando calor máximo, quizás en el arranque, el puerto A estará completamente abierto, y el puerto B completamente cerrado. La totalidad del agua que pasa de la caldera pasa a través del intercambiador de calor y pasa a través de la válvula por los puertos AB y A. Cuando la carga térmica se satisface, el puerto A estará completamente cerrado y el puerto B completamente abierto, y la totalidad del agua que pasa de la caldera deriva alrededor de la carga y pasa a través de la válvula por los puertos AB y B. En este sentido, el agua está siendo desviada del intercambiador de calor en relación con los requisitos de la carga térmica.

El mismo efecto puede lograrse instalando una válvula de desvío en la tubería de flujo, como se representa en la Figura 6.1.19.