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VALVULAS DE BOLA

 

Una válvula de bola o válvula de esfera, es un mecanismo de llave de paso que sirve para regular el flujo de un fluido canalizado y se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada.

 

Se abre mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal forma que permite el paso del fluido cuando está alineada la perforación con la entrada y la salida de la válvula. Cuando la válvula está cerrada, el agujero estará perpendicular a la entrada y a la salida. La posición de la manilla de actuación indica el estado de la válvula (abierta o cerrada).

 

Este tipo de válvulas no ofrecen una regulación precisa al ser de ¼ de vuelta. Su ventaja es que la bola perforada permite la circulación directa en la posición abierta con una pérdida de carga bastante más reducida que las de asiento, y corta el paso cuando se gira la maneta 90° y cierra el conducto.1

 

Las válvulas de bola manuales pueden cerrarse rápidamente, lo que puede producir un golpe de ariete. Por ello y para evitar la acción humana pueden estar equipadas con un servomotor ya sea neumático, hidráulico o motorizado.

 

Atendiendo al número de conexiones que posee la válvula, puede ser de dos o tres vías.

 

Las válvulas con cuerpo de una sola pieza son siempre de pequeña dimensión y paso reducido. Este tipo de construcción hace que la válvula tenga un precio reducido.

 

Las válvulas con cuerpo de dos piezas suelen ser de paso estándar. Este tipo de construcción permite su reparación.

 

Las válvulas de tres piezas permiten desmontar fácilmente la bola, el asiento o el vástago ya que están situados en la pieza central. Esto facilita la limpieza de sedimentos y remplazo de partes deterioradas sin tener que desmontar los elementos que conectan con la válvula.

Válvula de compuerta

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Válvula de compuerta en acero inoxidable.

La válvula de compuerta es una válvula que abre mediante el levantamiento de una compuerta o cuchilla (la cual puede ser redonda o rectangular) permitiendo así el paso del fluido.

 

Lo que distingue a las válvulas de este tipo es el sello, el cual se hace mediante el asiento del disco en dos áreas distribuidas en los contornos de ambas caras del disco. Las caras del disco pueden ser paralelas o en forma de cuña. Las válvulas de compuerta no son empleadas para regulación.

 

¨Ventajas¨

 

Alta capacidad.

Cierre hermético.

Bajo costo.

Diseño y funcionamiento sencillos.

Poca resistencia a la circulación.

Desventajas

 

Control deficiente de la circulación.

Se requiere mucha fuerza para accionarla.

Produce cavitación con baja caída de presión.

Debe estar abierta o cerrada por completo.

La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.1

Imágenes

 

Operación

Las válvulas de asiento son de construcción muy robusta y resistente, para uso industrial en válvulas de control direccional. Por lo general son muy tolerantes con los contaminantes del aire (óxido, polvo, etc.) cuando se utilizan en el servicio de aire comprimido. También se caracterizan por permitir altos caudales, y una alta velocidad de operación. Cuando se actúa sobre la válvula, ésta se abre rápidamente, y el área para que pase el fluido es también grande. Se caracterizan por poseer una parte móvil, la válvula propiamente dicha, la que es usada para controlar el flujo de un fluido o un gas por el cuerpo de la válvula.1

 

La válvula se maneja con un actuador que a su vez trabaja sobre el vástago de la válvula, despegando el disco de su asiento para abrirla (en el caso de las válvulas normalmente cerradas) y permitir el paso del fluido, o para apoyar el disco en el asiento y cerrarla (en el caso de las válvulas normalmente abiertas), e impedir el paso del fluido o gas. El actuador puede estar mandando por un sistema hidráulico, mecánico, manual, o mediante un electroimán.1

 

Cuando el actuador deja de aplicar fuerza sobre la válvula, un resorte devuelve la válvula propiamente dicha a su posición original (en el caso de las válvulas normalmente cerradas), haciendo que el disco de la válvula entre en contacto con el asiento; la presión del fluido dentro del cuerpo de la válvula ayuda a mantenerla cerrada. En el caso de las válvulas normalmente abierta, la presión del fluido ayuda al resorte a separar la válvula del asiento, abriendo el paso nuevamente.1

 

Usualmente, las válvulas incorporan distintos materiales sobre las superficies que sellan el paso de los fluidos. El material utilizado para estos sellos incluyen varios tipos de gomas, plásticos u otros polímeros exóticos, los cuales son seleccionados de acuerdo a las condiciones en las que trabajará la válvula, dependiendo de las presiones de trabajo, temperaturas extremas, compuestos químicos del gas o fluido que debe pasar a través de la válvula, condiciones ambientales, etc. En algunos casos, la válvula entera puede estar construida de materiales exóticos en lugar de hacerlo sólo en sello.1

 

Aplicaciones

Las válvulas de asiento son usadas en muchos procesos industriales, desde controlar el flujo de combustible en cohetes hasta para controlar el paso de leche.

 

La industria de los semiconductores a menudo usa válvulas de asiento ultra-limpias como válvulas de aislamiento.

 

Algunas de las aplicaciones que las utilizan:

 

Equipos para lavaderos de coches

Equipamientos para lavanderías

Control de aire y líquidos en procesos industriales

Tratamiento de aguas y residuos

Compresores de aire

Secadoras de aire industriales

Procesamiento de papel y pulpa

Equipos para caudales altos de aire, agua u otros líquidos para enfriamiento y procesamiento

Industria textil, para equipos de blanqueo, teñido y secado

Equipos de pruebas que requieren actuación rápida

Equipamientos de minería y construcción (supresión de polvo)

Refrigeración en autobuses, barcos, equipos de construcción y otros equipos y maquinaria para autopistas y carreteras

Regulación del líquido refrigerante en máquinas herramientas

Control del intercambiador de calor en ventiladores y refrigeración2

Control del agua refrigerante en máquinas de moldeo por inyección

Los usos específicos incluyen:

 

Las válvulas de asiento de tres vías tienen aplicaciones adicionales:

procesos que requieren "ciclos de lavado" -ciclos donde un líquido fresco es bombeado y luego vaciado y vuelto a llenar con líquido fresco

Aplicaciones de presurización/descarga

Válvulas operadas por solenoides DIN, equipadas con solenoides seguros para trabajar en ambientes peligrosos

Válvulas de asiento de acero inoxidable son diseñadas para aplicaciones bajo presión con líquidos ultra limpios y altamente corrosivos, incluyendo:

Industrias lácteas

Llenado, envasado y despacho de alimentos y bebidas

Procesado y despacho de productos químicos

Cervecerías y destilerías: agua, pasteurización, soluciones de glicol para la refrigeración, procesos de desgasificación, mezcla, carbonatación, etc.

Producción de fertilizantes

Producción farmacéutica y de cosméticos

Equipos de lavado de botellas y embotellado

Motores de combustión interna

 

Componentes de un típico motor de cuatro tiempos:

(E) Árbol de levas de escape,

(I) Árbol de levas de admisión,

(S) Bujía,

(V) Válvulas,

(P) Pistón,

(R) Biela,

(C) Cigüeñal,

(W) Agua para refrigeración.

Las válvulas de asiento son usadas en muchos motores de pistones para abrir y cerrar las lumbreras de admisión y de escape en la culata de cilindros. La válvula es usualmente un disco plano de metal con un largo vástago. El vástago es usado para empujar el disco de metal hacia abajo y abrir la válvula; posee un resorte que generalmente se usa para cerrar la válvula cuando no se presiona el vástago. Las válvulas desmodrómicas son cerradas por un mecánismo que actúa sobre el vástago en lugar de hacerlo un resorte, y son usadas en algunos motores de autos de carreras y motos de alta velocidad, eliminando el flotado de válvulas que ocurre a altas RPM.

 

Para determinadas aplicaciones el vástago de la válvula y el disco son de aceros de diferentes aleaciones, o los vástagos de las válvulas son huecos y llenos de sodio para mejorar el transporte y la transferencia de calor.

 

El motor normalmente opera las válvulas actuando sobre los vástagos con levas y taqués. El perfil y posición de la leva determina la apertura de la válvula, cuándo y que tan rápidamente (o lentamente) se abre la válvula. Las levas son normalmente colocadas fijas en un árbol de levas el cual es engranado con el cigüeñal, girando a la mitad de la velocidad de éste, en los motores de cuatro tiempos. En los motores de altas prestaciones (e.g., los autos de Ferrari), el árbol de levas es movible axialmente, las levas varían en altura, y la apertura de las válvulas también cambia, todo en relación con las RPM del motor. Ver Avances y retrasos de válvulas.

 

A pesar que es un mejor conductor del calor, la culata de aluminio requiere que el asiento de la válvula sea un inserto de acero, mientras que las culatas de fundición de hierro a menudo usan un asiento integral, formando parte de la culata.

 

Debido a que el vástago de la válvula se extiende hasta la cámara de las levas para ser lubricado, debe ser sellado para evitar que pasen los gases provenientes del cilindro. Un retén con labios de goma evitan que excesivas cantidades de aceite entren en la lumbrera de admisión, y que desde la lumbrera de escape suban los gases a la cámara del o los árboles de levas. Cuando estos retenes se gastan, es común ver humo azulado en el escape cuando presionamos el acelerador, por ejemplo al pasar los cambios.

 

Posición de las válvulas

 

Motor V12 Rolls Royce Merlin, de la Segunda Guerra Mundial. En el bloque de cilindros de la derecha pueden verse el árbol de levas, los balancines y el extremo superior de las válvulas, con sus resortes. Este diseño de fines de la década de 1930, poseía árbol de levas a la cabeza, cuatro válvulas por cilindro y turbocompresor con intercambiador de calor.

En los primeros diseños de motores las válvulas estaban al revés, en el bloque de cilindros, y paralelas a éstos, disposición que se conoce también como válvulas laterales. A pesar que este diseño es más sencillo y barato de construir, tiene dos grandes desventajas; el tortuoso camino seguido por la mezcla aire/combustible para entrar al cilindro limita el flujo de aire, e impide velocidades superiores a las 2.000-2.500 RPM, y el camino seguido por los gases de escape a través del bloque produce un sobrecalentamiento cuando el motor trabajo bajo carga en forma sostenida. Este diseño evolucionó en el IOE ("Escape Sobre Admisión", por sus siglas en inglés), donde la válvula de admisión estaba en el bloque y la de escape en la culata; más tarde ambas válvulas se colocaron en la culata, disposición que se conoce como válvulas a la cabeza.

 

En la mayoría de los diseños, el árbol de levas se mantuvo en el bloque de cilindros relativamente cerca del cigüeñal, y las válvulas son operadas a través de varillas y balancines. Esto dio lugar a importantes pérdidas de energía del motor, pero era más simple, especialmente en los motores en "V" donde un solo árbol de levas puede actuar las válvulas de los dos bancos de cilindros; por esta razón, este diseño persistió más tiempo en esta configuración que en otras.

 

Diseños más modernos tienen el árbol de levas en la culata de cilindros, presionando directamente el vástago de la válvula (de nuevo a través de taqués); si tiene sólo un árbol de levas, es un motor SOHC ("Single OverHead Camshaft", árbol de levas simple a la cabeza). A menudo hay dos árboles de levas, uno para las válvulas de admisión y otro para las de escape, creando un DOHC ("Dual OverHead Camshaft", doble árbol de levas a la cabeza). El árbol de levas es movido por el cigüeñal, a través de engranajes, cadena o correa dentada.

 

 

Esquema animado mostrando el funcionamiento de un motor de cuatro tiempo. Arriba, puede verse el funcionamiento de las válvulas.

Desgaste de las válvulas

En los primeros tiempos de la construcción de motores, las válvulas eran el mayor problema. La metalurgia no era lo que es hoy día, y el rápido abrir y cerrar de las válvulas contra la culata de cilindros producía su rápido desgaste. Era necesario reemplazarlas cada dos años o más, en un proceso caro y que demandaba mucho tiempo. Agregar tetraetilo de plomo a la gasolina reducía el problema en alguna medida, debido a que se formaba una película de plomo en el asiento, actuando como lubricante del metal. Al construir los asientos de las válvulas con una aleación mejorada de acero al cromo-cobalto hizo que este problema desapareciera completamente e hizo innecesaria la gasolina con plomo.

 

Características constructivas de las válvulas de un motor de combustión interna

Como consecuencia de la elevada potencia específica los órganos de la distribución están sujetos a un duro trabajo, que sólo pueden soportar si los materiales empleados para su construcción son elegidos oportunamente.

 

Desde el punto de vista funcional las válvulas deben resistir las elevadas y repetidas solicitaciones causadas por los golpes sobre los asientos, y mantenerse sin deformaciones también bajo la acción de las altas temperaturas a las que están sometidas; la válvula de escape puede alcanzar la temperatura de 750 ºC.

 

La válvula debe estar en condiciones de poder transmitir al aire o al agua de refrigeración el calor que recibe; la disipación del calor tiene lugar a través del contacto entre el vástago y su guía, y entre el plato y su asiento. Tiene, por tanto, gran importancia el grado de refrigeración de la guía y del asiento, así como su material. Las válvulas están tanto mejor refrigeradas cuanto menor es su diámetro (porque menor es la superficie expuesta a los gases en proporción a la superficie de contacto con el asiento) y cuanto mayor es la longitud de la guía y el diámetro del vástago (siendo mayores las superficies a través de las cuales es disipado el calor). Por ello, a los efectos de la residencia contra las solicitaciones térmicas, las válvulas de escape se hacen, en general, de diámetro menor que las de aspiración y, en los cilindros de grandes dimensiones, es preferible disponer dos (o también más) en lugar de una sola de gran diámetro.

 

La temperatura de la válvula desciende al usar una mezcla rica y combustibles de alto calor latente de vaporización, como es por ejemplo el metanol; aumenta, por el contrario, al aumentar el número de revoluciones y a disminuir el grado de adelanto al encendido; el valor de la relación de compresión no tiene influencia directa sobre la temperatura.

 

Construcción

 

Corte de una culata de cilindro con doble árbol de levas, DOHC. Pueden verse las levas, los taqués y las válvulas con sus resortes.

Para la construcción de las válvulas de escape se ha empleado durante un cierto tiempo el acero al tungsteno, del tipo usado para utensilios, que tiene óptimas cualidades de resistencia mecánica en caliente, pero que tiende a agrietarse a elevadas temperaturas: actualmente se usa de una manera especial el acero al cromo-silicio oportunamente tratado. El material que se considera mejor desde el punto de vista de la resistencia al calor es un acero austenítico con alta tenencia de níquel-cromo, por ello no magnético e insensible a los tratamientos térmicos: se usa especialmente para las válvulas de aviación, cuyos asientos cónicos están a menudo revestidos de estelita.

 

Para mejorar la transmisión del calor del plato al vástago, las válvulas de escape en aeronáutica son a menudo construidas huecas y llenas parcialmente de sodio metálico o de sales de litio y de potasio, que resultan líquidas a la temperatura de funcionamiento.

 

Las válvulas de aspiración están generalmente construidas con acero menos costoso (de bajo tenor níquel-cromo). Para los muelles los aceros más usados son aquellos al silicio-manganeso y el acero sueco (especialmente para los motores de aviación). Desde el punto de vista del mantenimiento las válvulas deben estar montadas de modo que resulten fácilmente revisables y permitir también de una manera fácil su esmerilado y rectificado de los asientos cuando es necesario restablecer una buena estanqueidad.

 

Máquinas de vapor

 

Válvula de asiento balanceada, de la Patente de U.S.A. n.º 339.809. El vapor a alta presión entra por A y sale por B. El vástago D mueve el disco C para abrir la válvula.

Cuando se usa en aplicaciones de alta presión, por ejemplo en válvulas de admisión de motores a vapor, la misma presión que ayuda a cerrar la válvula, también contribuye en forma significativa con la fuerza requerida para abrirla. Esto condujo al desarrollo de la válvula balanceada, la cual posee dos discos montados en un vástago en común, en la que la presión que ejerce sobre un plato es equilibrada por la presión que se ejerce sobre el otro.3​4​ En estas válvulas, la fuerza necesaria para abrirlas es determinada por la diferencia de presión entre las áreas de los dos discos.

 

Las válvulas de asiento también se usaron en locomotoras a vapor, a menudo en conjunto con la distribución Lentz o Caprotti. Entre los ejemplares británicos tenemos:

 

LNER Clase B12

LNER Clase D49

LNER Clase P2

LMS Stanier Clase 5 4-6-0

 

 

Básicamente constan de un cuerpo que aloja en su interior al obturador y los asientos y externamente se hallan provistas de bridas o roscas para su acoplamiento a la tubería. Deben resistir la temperatura y la presión del fluido sin pérdidas, deben tener un tamaño adecuado para el caudal a controlar y deben resistir la erosión o corrosión producida por el fluido. Suelen ser de hierro, acero o acero inoxidable y últimamente empiezan a realizarse con materiales termoplásticos.

 

El obturador puede tener desplazamiento lineal o rotativo y realiza la función de control de paso del fluido. Tanto él como los asientos suelen estar realizados con acero inoxidable. En algunas válvulas se utilizan obturadores y asientos cerámicos. Cuando la válvula se acciona mediante el actuador, se produce una modificación en el caudal del agua o vapor, consiguiendo así la regulación de la variable de proceso.

 

Tipos de válvulas según su uso

La variedad de válvulas en cuanto al diseño del cuerpo y al movimiento del obturador es enorme. Aquí se limitan a los tipos genéricos usados más normalmente. En principio se distingue entre válvulas de dos, tres y cuatro vías. Las válvulas de dos vías se utilizan principalmente en instalaciones de caudal variable y las de tres vías en instalaciones de caudal constante y temperatura variable. En realidad esta es una definición demasiado simplista, pero puede servir como punto de partida.

 

Válvulas de dos vías

válvulas de cono y asiento. Este tipo de válvulas están previstas para trabajar con un sentido del fluido que tienda a levantar el cono. El otro sentido tiene el riesgo de provocar vibraciones del cono sobre el asiento cuando la válvula está cerca del cierre, ya que la fuerza sobre el obturador aumenta cuando la válvula cierra y el obturador tiende a desplazarse más de lo que lo haría normalmente. Estas válvulas precisan de un actuador de gran tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso, por lo que se emplean cuando la presión del fluido es baja.

 

Existe otro tipo de válvulas que se denominan válvulas de doble asiento. Estos asientos están sometidos a dos fuerzas hidráulicas opuestas, por lo que la fuerza ejercida sobre el vástago se reduce. Se utilizan cuando la presión diferencial es muy alta, aunque no son muy estancas.

 

Las válvulas de mariposa se utilizan para secciones altas de paso, en instalaciones de gran potencia. Estas válvulas consisten en un disco conectado con un eje diametral que regula el paso del fluido por la tubería. Existen dos tipos de discos: el de forma circular, que cierra verticalmente y el de forma elíptica, que cierra entre 10º y 15º a partir de la vertical (consiguiendo un cierre estanco). Las válvulas de mariposa pueden acoplarse con actuadores de tipo manual o automático y se utilizan exclusivamente para servicios todo-nada, como es el aislamiento de aparatos y accesorios.

 

Las válvulas de bola constan de un obturador esférico que controla el caudal que pasa a través de la válvula. Este obturador consigue un cierre hermético y un control preciso del caudal en instalaciones con grandes presiones y caudales. Sin embargo, para pequeños caudales, regulan solamente en el 20% de su recorrido, lo que las hace inapropiadas.

 

También existen las válvulas de bola caracterizadas, en las que los bordes de la bola tienen una forma de entalladura que mejora la regulación del caudal y las hace válidas para una amplia gama de caudales.

 

Otros tipos de válvulas son las válvulas en ángulo (para fluidos que contengan partículas sólidas en suspensión), válvulas tipo Y (para aplicaciones criogénicas o de metales líquidos), válvulas de compresión (para manejo de fluidos negros o corrosivos) y válvulas de flujo axial (utilizada para gases)

 

Válvulas de tres vías

En válvulas de tres vías, además de las válvulas de cono y asiento ya mencionadas, los cuerpos de las válvulas pueden ser de varios tipos:

 

Las válvulas de sector de tres vías, regulan por rotación del eje. Un giro de 90º hace recorrer al obturador toda su carrera. El obturador, aquí llamado sector, por su forma, está mecanizado de tal forma que se obtiene una característica de igual porcentaje. La estanqueidad de estas válvulas es peor que las de cono y asiento, pero su precio muy inferior, lo cual ha extendido mucho su uso.

 

Las válvulas de bola de tres vías son similares a las de dos vías.

 

Las válvulas de tres vías según su función, pueden ser de dos tipos:

 

Mezcladoras: permiten mezclar proporcionalmente los fluidos de entrada por la vía directa y por la de by pass, con el fin, normalmente, de variar su temperatura.

Diversoras: permiten desviar el flujo de un fluido, total o parcialmente.

Las válvulas llevan grabadas las indicaciones para su montaje, de cualquiera de las dos formas reflejadas en la figura superior; Las flechas en una válvula mezcladora, indican que esta tiene dos entradas y una salida común, mientras que en la válvula diversora indican una entrada común y dos salidas. También se utilizan las letras: La letra A indica la vía directa, La B la de bypass y la AB es la boca común.2​ La válvula de tres vías mezcladora es la más utilizada, ya que dependiendo de su posición respecto de la bomba de circulación puede hacer las dos funciones y generalmente en mejores condiciones de trabajo que la diversora.

 

 

Funciones de válvula de tres vías mezcladora

En la figura pueden verse tres posiciones clásicas de una válvula de tres vías: a): Válvula mezcladora: se sitúa aguas arriba de la bomba de circulación, Por la boca A llega agua caliente del generador, por la B agua del retorno. La mezcla de ambas sale por la boca común AB.

 

b): Válvula diversora: La válvula está situada aguas abajo de la bomba, la cual impulsa sobre la boca común. El flujo se derivará en función de la apertura hacia A ó hacia B. Nótese que la válvula tiene una entradas y dos salidas.

 

c): Mezcladora en funciones de diversora: Si la boca B está cerrada y la A abierta, el flujo pasará a través de la unidad terminal, si la B está abierta el flujo retornará al generador .

 

Válvulas de cuatro vías

Estás válvulas están concebidas para la regulación de la temperatura de salida en una instalación de calefacción, al mismo tiempo que se eleva la temperatura de retorno de la caldera. Son válvulas de sector como las de tres vías, que realizan su carrera total con una rotación del eje de 90 grados.

 

Tamaño y conexión

Otras características a considerar de una válvula son el tipo de conexión y su tamaño, determinado por su diámetro nominal. La conexión puede hacerse mediante rosca para válvulas de hasta 65 mm de diámetro nominal (DN65) o con bridas, junta y tornillos para diámetros mayores.

 

El diámetro nominal de una válvula representa el diámetro interior en mm de la tubería a la que se acopla. Corresponde, por tanto, a la escala normalizada para tuberías

 

Característica de una válvula

El obturador determina la característica de caudal de la válvula, es decir, la relación que existe entre su posición (% del grado de apertura) y el % del caudal de paso del fluido. La elección de la característica tiene una gran influencia en la estabilidad del proceso, puesto que representa la ganancia de la válvula con relación a la carrera. Las curvas características dan el caudal que fluye a través de la válvula bajo una presión diferencial constante. Las más significativas son las de apertura rápida, la lineal y la isoporcentual. Estas curvas características se obtienen mecanizando el obturador para que al variar la carrera, el orificio de paso obturador-asiento configure el caudal de paso.

 

Característica lineal: el caudal a través de la válvula es directamente proporcional al grado de apertura. Con una pérdida de carga constante la ganancia de la válvula es igual para todos los caudales.

La potencia de un intercambiador de calor y su caudal circulante tienen una relación logarítmica, con este tipo de válvulas ocurrirá que para cargas pequeñas una ligera apertura de la válvula producirá un aumento considerable de la potencia con el consiguiente riesgo de inestabilidad en el bucle de regulación. La relación matemática de esta característica es:

 

{\displaystyle q=K.A+q_{0}} {\displaystyle q=K.A+q_{0}}

Donde {\displaystyle q} {\displaystyle q} es el caudal para pérdida de carga constante, {\displaystyle A}  A  es la apertura de la válvula, {\displaystyle q_{0}} q_{0} es el caudal de fugas para pérdida de carga constante y {\displaystyle K} {\displaystyle K} es la ganancia o constante de proporcionalidad que relaciona las unidades y margen de la apertura de la válvula con las unidades y margen del caudal.

 

Característica isoporcentual: Para evitar el problema que plantea la característica lineal se utilizan válvulas con característica logarítmica o isoporcentual.

El objetivo final es que las curvas características de los intercambiadores se compensen con las curvas de las válvulas, consiguiendo una proporcionalidad constante entre el grado de apertura y el calor emitido por el intercambiador.

 

 

Compensación de características

Como se puede ver en la figura b) , cuando la válvula abre al 50% de su recorrido, deja pasar el 10% de caudal. En a) se comprueba que el 10% de caudal supone el 50% de la potencia. Ambas se compensan obteniendo una relación lineal entre la apertura de la válvula y la potencia emitida. La relación matemática de esta característica es variable dependiendo del fabricante, la más conocida es la llamada exponencial o logarítmica, también conocida como de igual porcentaje

 

{\displaystyle q=q_{0}.e^{a.A}=q_{0}.e^{A{\Big (}lnC_{r}/100{\Big )}}} {\displaystyle q=q_{0}.e^{a.A}=q_{0}.e^{A{\Big (}lnC_{r}/100{\Big )}}}

donde {\displaystyle A} A es la apertura de la válvula y {\displaystyle a} a depende del campo de reglaje {\displaystyle Cr} {\displaystyle Cr} de la válvula.

 

Teniendo en cuenta la función exponencial, en la característica teórica, para un grado de apertura cero, no se obtiene un caudal cero, sino un valor positivo. Este caudal de fuga con la válvula cerrada es inadmisible, por lo que los fabricantes modifican ligeramente la característica teórica para conseguir la estanqueidad en el cierre.

 

Esto elimina el inconveniente del caudal de fuga, pero hace que ese caudal inicial no sea controlable. La relación entre el caudal máximo y el mínimo controlable se llama campo de reglaje {\displaystyle Cr} {\displaystyle Cr} y es un valor dado por el fabricante en función de la tolerancia de fabricación.

 

Dimensionamiento: coeficiente Kv y autoridad

El funcionamiento de una válvula de regulación consiste en crear una pérdida de carga puntual que haga variar el caudal hasta el valor requerido. La relación entre el caudal y la pérdida de carga creada,3​ viene dada por:

 

{\displaystyle K_{v}=q.{\sqrt {\frac {\rho }{1000.\Delta p}}}} {\displaystyle K_{v}=q.{\sqrt {\frac {\rho }{1000.\Delta p}}}}

{\displaystyle K_{v}} {\displaystyle K_{v}}4​ depende de la sección de paso de la válvula y se puede comprobar que tiene dimensiones de superficie ( {\displaystyle L^{2}} {\displaystyle L^{2}}), aunque en la práctica se define como el caudal de agua en m3/h que pasa a través de la válvula con una apertura dada y con una presión diferencial de 1 bar. Cuando el fluido es agua, con las unidades dichas, la fórmula general para Kv se simplifica:5

 

{\displaystyle K_{v}={\frac {Q}{\sqrt {\Delta p}}}} {\displaystyle K_{v}={\frac {Q}{\sqrt {\Delta p}}}}

El valor máximo de {\displaystyle K_{v}} {\displaystyle K_{v}} se obtiene con la válvula totalmente abierta y entonces se le denomina {\displaystyle K_{vs}} {\displaystyle K_{vs}}, Este valor es el que da el fabricante para cada válvula y por lo dicho, expresa el caudal que pasa por la válvula totalmente abierta cuando entre sus dos bocas hay una presión diferencial de 100 kPa.6

 

En los procesos a controlar, al 100% de la carga deberá circular el caudal nominal y la válvula, si todo es correcto, deberá estar completamente abierta y tener una presión diferencial que se corresponda con la instalación. El caudal en cualquier caso será bien conocido, pero la presión diferencial aplicada a la válvula depende principalmente de la altura manométrica real de la bomba y de la pérdida de carga de la instalación.

 

 

Pérdida de carga absorbida por la válvula de control

Suponiendo un circuito formado por una bomba centrífuga, una válvula de control y la tubería correspondiente. Los parámetros de la bomba y la pérdida de carga absorbida por el sistema, varían según el grado de apertura de la válvula. En cada momento, la diferencia entre la altura manométrica de la bomba y la pérdida de carga de la tubería al variar el caudal, corresponde a la pérdida de carga absorbida por la válvula, que aumenta al disminuir el caudal.

 

 

Esta variación de la presión diferencial hace que la característica real de la válvula se deforme con relación a la teórica, ya que esta se generaba considerando una presión constante a la entrada de la válvula. La amplitud de la deformación depende de la relación que hay entre {\displaystyle \Delta p_{min}} {\displaystyle \Delta p_{min}} y {\displaystyle \Delta p_{max}} {\displaystyle \Delta p_{max}} y se llama autoridad de la válvula

 

{\displaystyle \mathrm {B} ={\frac {\Delta p_{min}}{\Delta p_{max}}}} {\displaystyle \mathrm {B} ={\frac {\Delta p_{min}}{\Delta p_{max}}}}

La característica teórica de la válvula se tendrá con una autoridad igual a 1, es decir, sin variación en la presión diferencial. A medida que disminuye esta relación, la autoridad comienza a decrecer, la curva de la válvula se modifica alejándose cada vez más de la línea teórica.7​ Si el caudal de la instalación se ha sobredimensionado, la característica se deforma aún más. La disminución de la autoridad real respecto de la teórica,8​ viene dada por la relación:

 

{\displaystyle \mathrm {B} _{real}={\frac {\mathrm {B} }{S_{q}^{2}}}} {\displaystyle \mathrm {B} _{real}={\frac {\mathrm {B} }{S_{q}^{2}}}}

En la que {\displaystyle S_{q}} {\displaystyle S_{q}} es el coeficiente de sobrecaudal. Cuando {\displaystyle S_{q}=1} {\displaystyle S_{q}=1}, la autoridad real es igual a la teórica .9

 

También se puede seleccionar la válvula mediante ábacos facilitados por los fabricantes, en los que se elige una válvula cuyo {\displaystyle K_{vs}} {\displaystyle K_{vs}} sea inmediatamente inferior al teórico calculado. Será muy frecuente que la medida de la válvula de regulación sea inferior a la de la tubería, aunque no tiene porqué ser una norma. De cualquier forma, el tamaño de la válvula no debe ser inferior al de la mitad del tamaño de la tubería con el fin de evitar la producción de ruidos.

 

Operación

La apertura o el cierre de las válvulas de control automático se realiza normalmente mediante actuadores eléctricos, hidráulicos o neumáticos. Normalmente, con una válvula moduladora, que puede ajustarse a cualquier posición entre completamente abierta y completamente cerrada, se utilizan posicionadores de válvula para asegurar que la válvula alcance el grado de apertura deseado.

 

Normalmente se usan las válvulas accionadas por aire debido a su simplicidad, ya que sólo requieren un suministro de aire comprimido, mientras que las válvulas accionadas eléctricamente requieren cableado adicional y engranaje de conmutación, y las válvulas accionadas hidráulicamente requieren líneas de suministro y retorno de alta presión para el fluido hidráulico.

 

Las señales de control neumáticas se basan tradicionalmente en un rango de presión de 3-15 psi (0.2-1.0 bar), o más comúnmente ahora, una señal eléctrica de 4-20 mA para la industria, o de 0-10 V para sistemas HVAC. El control eléctrico actual incluye a menudo una señal de comunicación "Smart" superpuesta a la corriente de control de 4-20 mA, de modo que el estado y la verificación de la posición de la válvula pueden ser señaladas de nuevo al controlador. El HART, Fieldbus Foundation y Profibus son los protocolos más comunes.

 

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