Válvulas de retención

Las válvulas de retención (de no retorno) se instalan en las tuberías para permitir el flujo solo en una dirección, ayudando a proteger equipos y procesos. En este tutorial se explican el funcionamiento, beneficios, aplicaciones y selección de diferentes diseños, incluyendo válvulas de retención de elevación, de disco, de mariposa y tipo wafer.

Las válvulas de retención, o válvulas de no retorno, se instalan en sistemas de tubería para permitir el flujo solo en una dirección. Funcionan completamente por reacción al fluido de la línea y por lo tanto no requieren ninguna actuación externa. En este texto, la dirección de flujo esperada o deseada se denomina ‘flujo directo’, y el flujo en la dirección opuesta es ‘flujo inverso’.

Existen varias razones para usar válvulas de retención, que incluyen:

• Protección de cualquier elemento de equipo que pueda verse afectado por el flujo inverso, como caudalímetros, filtros y válvulas de control.
• Para controlar las sobrepresiones asociadas con fuerzas hidráulicas, por ejemplo, el golpe de ariete. Estas fuerzas hidráulicas pueden causar una onda de presión que recorre las tuberías hasta que la energía se disipa.

Aunque las válvulas de retención pueden cortar eficazmente el flujo inverso, nunca deben usarse en lugar de una válvula de aislamiento para contener vapor activo en una sección de tubería.

Al igual que con las válvulas de aislamiento, existen varios diseños diferentes de válvulas de retención, cada uno adaptado a aplicaciones específicas. En este módulo se discuten los diferentes tipos de válvulas de retención y sus aplicaciones, junto con el método correcto de dimensionamiento.

Válvulas de retención de elevación

Las válvulas de retención de elevación tienen una configuración similar a las válvulas de globo, excepto que el disco o tapón se acciona automáticamente. Los puertos de entrada y salida están separados por un tapón cónico que se apoya en un asiento, típicamente metálico; en algunas válvulas, el tapón puede mantenerse en su asiento mediante un muelle. Cuando el flujo hacia la válvula está en la dirección directa, la presión del fluido levanta el cono de su asiento, abriendo la válvula. Con flujo inverso, el cono regresa a su asiento y se mantiene en su lugar por la presión del flujo inverso.

Si se utiliza un asiento metálico, la válvula de retención de elevación solo es adecuada para aplicaciones donde una pequeña cantidad de fuga, bajo condiciones de flujo inverso, es aceptable. Además, el diseño de una válvula de retención de elevación generalmente limita su uso a aplicaciones con agua; posteriormente, se usan comúnmente para prevenir el flujo inverso de condensado en las purgas de vapor y en las salidas de bombas de condensado cíclicas.

La principal ventaja de la válvula de retención de elevación radica en su simplicidad, y como el cono es la única parte móvil, la válvula es robusta y requiere poco mantenimiento. Además, el uso de un asiento metálico limita el desgaste del asiento. La válvula de retención de elevación tiene dos limitaciones principales; en primer lugar, está diseñada solo para instalación en tuberías horizontales, y en segundo lugar, su tamaño está típicamente limitado a DN80, por encima del cual la válvula sería demasiado voluminosa. La válvula de retención de elevación tipo pistón es una modificación de la válvula de retención de elevación estándar. Incorpora un tapón con forma de pistón en lugar del cono, y se aplica un amortiguador a este mecanismo. El amortiguador produce un efecto de amortiguación durante la operación, eliminando así el daño causado por la operación frecuente de la válvula, por ejemplo, en sistemas de tubería que están sujetos a sobrepresiones o cambios frecuentes en la dirección del flujo (un ejemplo sería la salida de una caldera).

Válvulas de retención de mariposa

Una válvula de retención de mariposa consiste en una aleta o disco del mismo diámetro que el orificio de la tubería, que cuelga en la trayectoria del flujo. Con el flujo en la dirección directa, la presión del fluido fuerza el disco a pivotar hacia arriba, permitiendo el flujo a través de la válvula. El flujo inverso causará que el disco se cierre contra el asiento e impida que el fluido regrese por la tubería. En ausencia de flujo, el peso de la aleta es responsable del cierre de la válvula; sin embargo, en algunos casos, el cierre puede ser asistido mediante el uso de una palanca contrapesada. Como se puede ver en la Figura 12.3.2, todo el mecanismo está encerrado dentro de un cuerpo, que permite que la aleta se retraiga fuera de la trayectoria del flujo.

Las válvulas de retención de mariposa producen una resistencia relativamente alta al flujo en la posición abierta, debido al peso del disco. Además, crean turbulencia, porque la aleta ‘flota’ sobre la corriente de fluido. Esto significa que típicamente hay una caída de presión mayor a través de una válvula de retención de mariposa que a través de otros tipos.

Con cambios bruscos en el flujo, el disco puede golpear contra el asiento de la válvula, lo que puede causar un desgaste significativo del asiento y generar golpe de ariete a lo largo del sistema de tuberías. Esto puede superarse instalando un mecanismo de amortiguación en el disco y usando asientos metálicos para limitar el desgaste del asiento.

Válvulas de retención tipo wafer

Tanto las válvulas de retención de elevación como las de mariposa tienden a ser voluminosas, lo que limita su tamaño y las hace costosas. Para superar esto, se han desarrollado válvulas de retención tipo wafer. Por definición, las válvulas de retención tipo wafer son aquellas diseñadas para instalarse entre un juego de bridas. Esta definición amplia abarca una variedad de diseños diferentes, incluyendo válvulas de retención de disco y versiones wafer de válvulas de retención de mariposa o de disco dividido.

Válvulas de retención de disco

La válvula de retención de disco consta de cuatro componentes principales: el cuerpo, un disco, un muelle y un retenedor de muelle. El disco se mueve en un plano perpendicular al flujo del fluido, resistido por el muelle que se mantiene en su lugar por el retenedor. El cuerpo está diseñado para actuar como un collar de centrado integral que facilita la instalación. Cuando se requiere un sellado ‘sin fugas’, puede incluirse un asiento blando.

Cuando la fuerza ejercida sobre el disco por la presión aguas arriba es mayor que la fuerza ejercida por el muelle, el peso del disco y cualquier presión aguas abajo, el disco se fuerza a levantarse de su asiento, permitiendo el flujo a través de la válvula. Cuando la presión diferencial a través de la válvula se reduce, el muelle fuerza el disco de vuelta a su asiento, cerrando la válvula justo antes de que ocurra el flujo inverso. Esto se muestra en la Figura 12.3.4. La presencia del muelle permite que la válvula de retención de disco se instale en cualquier dirección.

La presión diferencial requerida para abrir la válvula de retención está determinada principalmente por el tipo de muelle utilizado. Además del muelle estándar, hay varias opciones de muelle disponibles:

• Sin muelle - Se utiliza donde la presión diferencial a través de la válvula es pequeña.
• Muelle de Nimonic - Se utiliza en aplicaciones de alta temperatura.
• Muelle de alta resistencia - Esto aumenta la presión de apertura requerida. Cuando se instala en la línea de alimentación de agua de la caldera, puede usarse para prevenir que las calderas de vapor se inunden cuando no están presurizadas. Al igual que con todas las válvulas de retención tipo wafer, el tamaño de la válvula de retención de disco está determinado por el tamaño de la tubería asociada. Esto generalmente asegura que la válvula esté correctamente dimensionada, pero hay casos donde la válvula está sobredimensionada o subdimensionada. Una válvula de retención sobredimensionada se indica a menudo por un zumbido continuo de la válvula, que es la apertura y cierre repetidos de la válvula que ocurre cuando la válvula solo está parcialmente abierta. Es causado por el hecho de que cuando la válvula se abre, hay una caída en la presión aguas arriba; si esta caída de presión significa que la presión diferencial a través de la válvula cae por debajo de la presión de apertura requerida, la válvula se cerrará bruscamente. Tan pronto como la válvula se cierra, la presión comienza a aumentar nuevamente, y así la válvula se abre y el ciclo se repite. La sobredimensión generalmente puede corrigirse seleccionando una válvula más pequeña, pero debe tenerse en cuenta que esto aumentará la caída de presión a través de la válvula para cualquier flujo. Si esto no es aceptable, puede ser posible superar los efectos del zumbido reduciendo la fuerza de cierre en el disco. Esto puede hacerse usando un muelle estándar en lugar de uno de alta resistencia, o eliminando el muelle por completo. Otra alternativa es usar un asiento blando; esto no previene el zumbido sino que reduce el ruido. Sin embargo, se debe tener cuidado, ya que esto puede causar un desgaste excesivo en el asiento. La subdimensionación resulta en una caída de presión excesiva a través de la válvula y, en el extremo, puede incluso impedir el flujo. La solución es reemplazar la válvula subdimensionada por una más grande. Las válvulas de retención de disco son más pequeñas y ligeras que las válvulas de retención de elevación y de mariposa estándar y, por lo tanto, cuestan menos. Sin embargo, el tamaño de una válvula de retención de disco está limitado a DN125; por encima de esto, el diseño se complica. Típicamente, tal diseño incluiría un disco cónico y un muelle de pequeño diámetro que se retiene y guía a lo largo de la línea central del cono, lo cual es más difícil y costoso de fabricar. Aun así, tales diseños todavía están limitados en tamaño a DN250. Las válvulas de retención de disco estándar no deben usarse en aplicaciones donde hay un flujo altamente pulsante, por ejemplo, en la salida de un compresor de aire alternativo, ya que el impacto repetido del disco puede llevar a la falla del retenedor del muelle y altos niveles de estrés en el muelle. Hay retenedores especialmente diseñados disponibles para tales aplicaciones. Estos diseños típicamente reducen la cantidad de recorrido del disco, lo que efectivamente aumenta la resistencia al flujo y por lo tanto aumenta la caída de presión a través de la válvula. El diseño de las válvulas de retención de disco permite que se instalen en cualquier posición, incluyendo tuberías verticales donde el fluido fluye hacia abajo.

Válvulas de retención tipo wafer de mariposa

Estas son similares a las válvulas de retención de mariposa estándar, pero no tienen la disposición de cuerpo completo; en su lugar, cuando la válvula se abre, la aleta es forzada hacia la parte superior de la tubería. Posteriormente, la aleta debe tener un diámetro menor que el de la tubería, y debido a esto, la caída de presión a través de la válvula, que a menudo es alta para las válvulas de tipo mariposa, se incrementa aún más. Las válvulas de retención de tipo mariposa se usan principalmente en tamaños de tubería más grandes, típicamente por encima de DN125, porque en tuberías más pequeñas la caída de presión, causada por el disco ‘flotando’ en la corriente de fluido, se vuelve significativa. Además, hay ahorros de costos significativos al usar estas válvulas en tamaños más grandes, debido a la pequeña cantidad de material requerida para la construcción de la válvula. Sin embargo, hay un problema con el uso de válvulas de mayor tamaño; debido a su tamaño, los discos son particularmente pesados, y por lo tanto poseen una gran cantidad de energía cinética cuando se cierran. Esta energía se transfiere al asiento y al fluido del proceso cuando la válvula se cierra bruscamente, lo que podría causar daños al asiento de la válvula y generar golpe de ariete.

Aplicaciones de válvulas de retención tipo wafer

Las válvulas de retención tipo wafer se están convirtiendo en el tipo preferido de válvula de retención para la mayoría de las aplicaciones, debido a su diseño compacto y costo relativamente bajo. La siguiente es una lista de algunas de sus aplicaciones más comunes:

• Líneas de alimentación de caldera - La válvula de retención se usa para prevenir que el agua de la caldera sea forzada de regreso por la línea de alimentación al tanque de almacenamiento cuando la bomba de alimentación se detiene. Además, una válvula de retención de disco con un muelle de alta resistencia y un asiento blando puede instalarse en la línea de alimentación de la caldera para prevenir el flujo por gravedad hacia la caldera cuando la bomba de alimentación se apaga.

• Purgas de vapor - Aparte de las purgas de vapor que descargan a la atmósfera, las válvulas de retención siempre deben insertarse después de una purga de vapor para prevenir el flujo inverso de condensado que inunde el espacio de vapor. La válvula de retención también evitará que la purga de vapor se dañe por cualquier golpe hidráulico en la línea de condensado. Debe tenerse en cuenta que cuando se usan purgas de vapor de descarga por explosión, la válvula de retención debe instalarse al menos 1 m aguas abajo de la purga.

• Circuitos de agua caliente - Debe instalarse una válvula de retención después de cada bomba para prevenir el flujo inverso a través de la bomba cuando se ha apagado (ver Figura 12.3.8).

• Rompedores de vacío - Las válvulas de retención pueden usarse como rompedores de vacío, instalándolas en sentido inverso. Cuando se crea un vacío, la válvula se abre, permitiendo que entre aire de la atmósfera (ver Figura 12.3.9).

• Mezcla - Debe instalarse una válvula de retención en cada línea de suministro para prevenir el flujo inverso a lo largo de las diferentes líneas que conducirá a la contaminación. Una aplicación común de mezcla es la mezcla de agua caliente y fría para proporcionar agua caliente (ver Figura 12.3.10).

• Protección de accesorios de tubería - Las válvulas de retención se usan para prevenir daños a equipos como caudalímetros y válvulas de control, todos los cuales pueden ser dañados por el flujo inverso. Las válvulas de retención también evitan que el contenido de los filtros se deposite en las tuberías aguas arriba por el fluido que fluye en sentido inverso.
• Aplicaciones de múltiples calderas - Debe insertarse una válvula de retención en la salida de cada caldera para prevenir que cualquier vapor fluya hacia las calderas que puedan estar en espera caliente (ver Figura 12.3.11).

• Vascos de purga - Cuando un vaso de purga recibe purga de más de una caldera, debe instalarse una válvula de retención tipo wafer en cada línea de purga separada. Esto evitará que la purga de una caldera fluya de regreso hacia otra caldera. En muchos países, esto es un requisito legal.
• Vasos de destello - Se instala una válvula de retención tipo wafer en la salida de vapor destellado del vaso de destello; esto asegura que el vapor de cualquier válvula de reposición no fluya de regreso al vaso de destello (ver Figura 12.3.12). También se instala una válvula de retención después de la purga de vapor que drena el vaso de destello.

Válvulas de retención de disco dividido

La válvula de retención de disco dividido o válvula de retención de doble placa está diseñada para superar las limitaciones de tamaño y caída de presión de las válvulas de retención tipo wafer de mariposa y de disco. La aleta de la válvula de retención de mariposa esencialmente se divide y se articula en su centro, de modo que las dos placas de disco solo se abatirán en una dirección. Las placas de disco se mantienen contra el asiento por un muelle de torsión montado en la bisagra. Para mantener la bisagra en el centro de la trayectoria del flujo, pueden usarse pines de retención montados externamente. Estos pines de retención son una fuente común de fugas de la válvula. Un diseño mejorado asegura la bisagra internamente, y como el mecanismo de la válvula está completamente sellado dentro del cuerpo, se previene la fuga a la atmósfera (ver Figura 12.3.13)

La válvula está normalmente cerrada, ya que las placas de disco se mantienen cerradas por el muelle de torsión. Cuando el fluido fluye en la dirección directa, la presión del fluido causa que las placas de disco se abran articuladamente, permitiendo el flujo. La válvula de retención se cierra por el muelle tan pronto como el flujo cesa, antes de que pueda ocurrir cualquier flujo inverso.

La apertura y cierre frecuentes de la válvula de retención de disco dividido pronto causarían daños al asiento si se permitiera que los talones de las placas de disco rozaran contra el asiento durante la apertura. Para superar esto, el talón de las placas de disco se levanta durante la apertura inicial de la válvula y las placas rotan puramente sobre la bisagra en lugar de sobre la cara del asiento.

El tipo de válvula de retención de disco dividido tiene varias ventajas sobre otros tipos de válvulas de retención:

• El diseño de disco dividido no está limitado en tamaño y estas válvulas se han producido en tamaños de hasta DN5400.
• La caída de presión a través de la válvula de retención de disco dividido es significativamente menor que a través de otros tipos.
• Son capaces de usarse con presiones de apertura más bajas.
• Las válvulas de retención de disco dividido pueden instalarse en cualquier posición, incluyendo tuberías verticales.

Otros tipos de válvulas de retención

Los tipos de válvula de retención mencionados anteriormente son los tipos más comúnmente encontrados en sistemas de vapor, condensado y líquidos. Sin embargo, también están disponibles varios otros tipos. Los tres tipos enumerados a continuación son principalmente adecuados para aplicaciones con líquidos y, por lo tanto, pueden encontrarse en sistemas de condensado:

• Válvula de retención de bola - Consiste en una bola recubierta de caucho que normalmente se asienta en la entrada de la válvula, sellando la entrada. Cuando se ejerce presión sobre la bola, se mueve de su asiento a lo largo de un riel guía, permitiendo que el fluido pase a través de la entrada. Cuando la presión del fluido cae, la bola desliza de vuelta a su posición en el asiento de entrada. Nota: Las válvulas de retención de bola típicamente solo se usan en sistemas de líquidos, ya que es difícil obtener un sellado hermético usando una bola.
• Válvula de retención de diafragma - Un diafragma flexible de caucho se coloca en una malla o cono perforado con la punta en la dirección del flujo en la tubería (ver Figura 12.3.15). El flujo en la dirección directa desvía el diafragma hacia adentro, permitiendo el paso libre del fluido. Cuando no hay flujo o existe una contrapresión, el diafragma regresa a su posición original, cerrando la válvula. Nota: El material del diafragma típicamente limita la aplicación de la válvula de retención de diafragma a fluidos por debajo de 180°C y 16 bar.

• Válvula de retención de disco basculante - Es similar a la válvula de retención de tipo mariposa, pero con la aleta pivotada delante de su centro de presión y contrapesada o con muelle para asumir una posición normalmente cerrada (ver Figura 12.3.16). Cuando el flujo está en la dirección directa, el disco se levanta y ‘flota’ en la corriente ofreciendo mínima resistencia al flujo. El disco está equilibrado de modo que a medida que el flujo disminuye, pivotará hacia su posición de cierre, cerrando antes de que el flujo inverso realmente comience. La operación es suave y silenciosa bajo la mayoría de las condiciones. Nota: debido al diseño de la válvula de retención de disco basculante, está limitada a uso en aplicaciones de líquidos solamente.

Tablas de pérdida de presión

Como la mayoría de los tipos de válvula de retención son adecuados para uso tanto en sistemas de líquidos como de gases, los fabricantes típicamente muestran la caída de presión a través de una válvula en forma de una tabla de pérdida de presión para agua. Una tabla típica de pérdida de presión se muestra en la Figura 12.3.17. Muestra la caída de presión a través de una válvula de retención específica para un tamaño de válvula dado y caudal de agua en m³/h.

Para determinar la caída de presión a través de la válvula de retención para otros líquidos, es necesario calcular el caudal volumétrico equivalente de agua, esto se hace usando la fórmula en la Ecuación 12.3.1:

Una vez que se ha determinado el caudal volumétrico equivalente de agua, la caída de presión a través de la válvula puede leerse del gráfico usando el mismo método que para el agua, seleccionando el caudal volumétrico equivalente de agua en lugar del caudal volumétrico real.

Debe tenerse en cuenta que el caudal volumétrico (en m³/h) típicamente se cita para aplicaciones de líquidos, mientras que en aplicaciones de vapor, el caudal másico (en kg/h) se usa normalmente. Para convertir de kg/h a m³/h, el caudal másico se multiplica por el volumen específico (en m³/kg) para la presión y temperatura de trabajo particulares (ver Ecuación 12.3.2).

Alternativamente, si se especifica el valor Kv de la válvula, la caída de presión a través de la válvula puede determinarse usando el método descrito en el Módulo 12.2. Ejemplo 12.3.1 Determine la caída de presión a través de una válvula de retención DN65 que pasa 1 200 kg/h de vapor saturado a 8 bar g. Use las características de caída de presión mostradas en la Figura 12.3.17. Solución: El primer paso es calcular el caudal volumétrico: De las tablas de vapor a 8 bar manométricos, vg = 0,214 9 m³/kg

Usando la Figura 12.3.18, la caída de presión a través de la válvula sería aproximadamente 0,085 bar.