Una válvula de seguridad es una válvula que actúa como mecanismo de seguridad . Un ejemplo de válvula de seguridad es una válvula de alivio de presión (PRV), que libera automáticamente una sustancia de una caldera , recipiente a presión u otro sistema , cuando la presión o la temperatura excede los límites preestablecidos. Las válvulas de alivio operadas por piloto son un tipo especializado de válvula de seguridad de presión. Una opción de uso de emergencia única, de menor costo y hermética sería un disco de ruptura .
Las válvulas de seguridad se desarrollaron por primera vez para su uso en calderas de vapor durante la Revolución Industrial . Las primeras calderas que funcionaban sin ellos eran propensas a explotar a menos que se operaran con cuidado.
Las válvulas de seguridad de vacío (o válvulas de seguridad combinadas de presión/vacío) se utilizan para evitar que un tanque colapse mientras se vacía, o cuando se usa agua de enjuague fría después de CIP (limpieza en el lugar) o SIP (esterilización en el lugar) caliente. lugar) procedimientos. Al dimensionar una válvula de seguridad de vacío, el método de cálculo no está definido en ninguna norma, particularmente en el escenario CIP caliente / agua fría, pero algunos fabricantes [1] han desarrollado simulaciones de dimensionamiento.
El término válvula de seguridad también se utiliza de forma metafórica .
La válvula de seguridad más antigua y simple se usó en un digestor de vapor 1679 y utilizaba un peso para retener la presión del vapor (este diseño todavía se usa comúnmente en ollas a presión ); sin embargo, estos fueron fácilmente manipulados o liberados accidentalmente. En el ferrocarril de Stockton y Darlington , la válvula de seguridad tendía a dispararse cuando el motor golpeaba un bache en la vía. Una válvula menos sensible a las aceleraciones repentinas usaba un resorte para contener la presión del vapor, pero estos (basados en una balanza de resorte Salter ) aún podían atornillarse para aumentar la presión más allá de los límites de diseño. Esta peligrosa práctica se utilizaba a veces para aumentar marginalmente el rendimiento de una máquina de vapor.
En 1856, John Ramsbottom inventó una válvula de seguridad de resorte a prueba de manipulaciones que se volvió universal en los ferrocarriles. La válvula Ramsbottom constaba de dos válvulas tipo tapón conectadas entre sí mediante un brazo pivotante cargado por resorte, con un elemento de válvula a cada lado del pivote. Cualquier ajuste realizado en una de las válvulas en un intento de aumentar su presión de funcionamiento provocaría que la otra válvula se levante de su asiento, independientemente de cómo se intentó el ajuste. El punto de pivote del brazo no estaba ubicado simétricamente entre las válvulas, por lo que cualquier ajuste del resorte haría que una de las válvulas se levantara.
Sólo quitando y desmontando todo el conjunto de válvulas se podía ajustar su presión de funcionamiento, lo que hacía imposible el "atado" improvisado de la válvula por parte de las tripulaciones de las locomotoras en busca de más potencia. El brazo pivotante comúnmente se extendía en forma de manija y se retroalimentaba a la cabina de la locomotora, lo que permitía a las tripulaciones "sacar" ambas válvulas de sus asientos para confirmar que estaban configuradas y funcionando correctamente.
Las válvulas de seguridad también evolucionaron para proteger equipos como recipientes a presión (encendidos o no) e intercambiadores de calor . El término válvula de seguridad debe limitarse a aplicaciones de fluidos comprimibles (gas, vapor o vapor).
Los dos tipos generales de protección que se encuentran en la industria son la protección térmica y la protección del flujo .
Para recipientes llenos de líquido, las válvulas de alivio térmico generalmente se caracterizan por el tamaño relativamente pequeño de la válvula necesaria para brindar protección contra el exceso de presión causado por la expansión térmica. En este caso, una válvula pequeña es adecuada porque la mayoría de los líquidos son casi incompresibles y, por lo tanto, una cantidad relativamente pequeña de fluido descargada a través de la válvula de alivio producirá una reducción sustancial de la presión.
La protección del flujo se caracteriza por válvulas de seguridad que son considerablemente más grandes que las montadas para protección térmica. Generalmente están dimensionados para su uso en situaciones en las que se deben descargar rápidamente cantidades significativas de gas o grandes volúmenes de líquido para proteger la integridad del recipiente o tubería. Alternativamente, esta protección se puede lograr instalando un sistema de protección de presión de alta integridad (HIPPS).
En las industrias de refinación de petróleo , petroquímica , fabricación de productos químicos , procesamiento de gas natural , generación de energía , alimentos, bebidas, cosméticos y productos farmacéuticos, el término válvula de seguridad está asociado con los términos válvula de alivio de presión (PRV), válvula de seguridad de presión (PSV) y válvula de alivio. válvula . El término genérico es válvula de alivio de presión (PRV) o válvula de seguridad de presión (PSV). PRV y PSV no son lo mismo, a pesar de lo que mucha gente piensa; la diferencia es que las PSV tienen una palanca manual para abrir la válvula en caso de emergencia.
RV, SV y SRV funcionan con resorte (incluso con resorte). LPSV y VPSV funcionan con resorte o con peso.
En la mayoría de los países, las industrias están obligadas por ley a proteger los recipientes a presión y otros equipos mediante el uso de válvulas de alivio. Además, en la mayoría de los países, se deben cumplir códigos de diseño de equipos como los proporcionados por ASME , API y otras organizaciones como ISO (ISO 4126). Estos códigos incluyen estándares de diseño para válvulas de alivio y programas para inspecciones y pruebas periódicas después de que el ingeniero de la empresa haya retirado las válvulas. [3] [4]
Hoy en día, las industrias de alimentos, bebidas, cosméticos, productos farmacéuticos y productos químicos finos requieren válvulas de seguridad higiénicas, totalmente drenables y que se puedan limpiar in situ. La mayoría están hechas de acero inoxidable; Las normas de higiene son principalmente 3A en EE.UU. y EHEDG en Europa.
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La primera válvula de seguridad fue inventada por Denis Papin para su digestor de vapor , una de las primeras ollas a presión en lugar de un motor. [5] Un peso que actuaba a través de una palanca mantenía presionada una válvula de tapón circular en el recipiente de vapor. Al usar una palanca " steelyard " se requería un peso menor, además la presión se podía regular fácilmente deslizando el mismo peso hacia adelante y hacia atrás a lo largo del brazo de palanca. Papin conservó el mismo diseño para su bomba de vapor de 1707. [6] [7]
Las primeras válvulas de seguridad se consideraban uno de los controles del maquinista y requerían atención continua, según la carga del motor. En una famosa explosión temprana en Greenwich en 1803, uno de los motores estacionarios de alta presión de Trevithick explotó cuando el niño entrenado para operar el motor lo dejó para pescar anguilas en el río, sin soltar primero la válvula de seguridad de su carga de trabajo. [8] En 1806, Trevithick estaba instalando pares de válvulas de seguridad, una válvula externa para el ajuste del conductor y otra sellada dentro de la caldera con un peso fijo. Este no era ajustable y se liberaba a una presión más alta, con la intención de garantizar la seguridad. [9]
Cuando se usaban en locomotoras, estas válvulas traqueteaban y goteaban, liberando bocanadas casi continuas de vapor residual.
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Aunque la válvula de seguridad de palanca era conveniente, era demasiado sensible al movimiento de una locomotora de vapor. Por lo tanto, las primeras locomotoras de vapor utilizaban una disposición más simple de pesos apilados directamente sobre la válvula. Esto requería un área de válvula más pequeña, para mantener el peso manejable, lo que a veces resultaba inadecuado para ventilar la presión de una caldera desatendida, lo que provocaba explosiones . Un peligro aún mayor era la facilidad con la que se podía atar una válvula de este tipo, para aumentar la presión y, por tanto, la potencia del motor, con mayor riesgo de explosión. [10]
Aunque las válvulas de seguridad de peso muerto tenían una vida útil corta en las locomotoras de vapor, permanecieron en uso en calderas estacionarias mientras existió la energía de vapor. [11]
Las válvulas ponderadas eran sensibles a los rebotes provocados por la conducción brusca de las primeras locomotoras. Una solución fue utilizar un resorte liviano en lugar de un peso. Esta fue la invención de Timothy Hackworth en su Royal George de 1828. [12] Debido a la metalurgia limitada de la época, las primeras válvulas de resorte de Hackworth utilizaron una pila en forma de acordeón de múltiples ballestas . [13]
Estas válvulas de resorte de acción directa se pueden ajustar apretando las tuercas que retienen el resorte. Para evitar manipulaciones, a menudo estaban envueltos en altas carcasas de latón que también expulsaban el vapor de la tripulación de la locomotora.
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La balanza de resortes helicoidales Salter para pesar se fabricó por primera vez en Gran Bretaña alrededor de 1770. [14] Utilizaba los aceros para resortes recientemente desarrollados para fabricar un resorte potente pero compacto de una sola pieza. Una vez más, utilizando el mecanismo de palanca, se podría aplicar un equilibrio de resorte de este tipo a la fuerza considerable de una válvula de seguridad de caldera.
La válvula de equilibrio de resorte también actuaba como manómetro. Esto fue útil ya que los manómetros anteriores eran manómetros de mercurio difíciles de manejar y el manómetro Bourdon aún no se había inventado. [15]
Permanecía el riesgo de que los bomberos ataran la válvula de seguridad. [16] [17] Esto se vio alentado por el hecho de que estaban equipados con tuercas de mariposa fácilmente ajustables, siendo la práctica de ajustar la presión de trabajo de la caldera a través de la válvula de seguridad un comportamiento aceptado hasta bien entrada la década de 1850. [18] [19] Posteriormente, fue común que las válvulas Salter se instalaran en pares, uno ajustable y a menudo calibrado para su uso como medidor, el otro sellado dentro de una cubierta cerrada para evitar manipulaciones.
A menudo también se ajustaban válvulas emparejadas a presiones ligeramente diferentes: una válvula pequeña como medida de control y la válvula bloqueable se hacía más grande y se ajustaba permanentemente a una presión más alta, como medida de seguridad. [12] [20] Algunos diseños, como uno de Sinclair para Eastern Counties Railway en 1859, tenían el resorte de válvula con escala de presión detrás de la cúpula, frente a la cabina, y la válvula bloqueada delante de la cúpula, fuera del alcance de interferencia. [21]
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En 1855, John Ramsbottom , más tarde superintendente de locomotoras del LNWR , describió una nueva forma de válvula de seguridad destinada a mejorar la confiabilidad y, especialmente, a ser resistente a la manipulación. Se utilizaron un par de válvulas de tapón, sujetas por una palanca común cargada por resorte entre ellas con un único resorte central. Esta palanca se extendía característicamente hacia atrás y, a menudo, llegaba hasta la cabina en las primeras locomotoras.
En lugar de desalentar el uso de la palanca de resorte por parte del bombero, la válvula de Ramsbottom lo fomentó. Al mover la palanca, se liberaron las válvulas alternativamente y se comprobó que ninguna se atascara en su asiento. [22] Incluso si el bombero mantuvo la palanca hacia abajo y aumentó la fuerza en la válvula trasera, hubo una reducción correspondiente de fuerza en la válvula delantera. [12] [23]
Se produjeron varias formas de válvula Ramsbottom. Algunos eran accesorios separados de la caldera, a través de penetraciones separadas. [23] Otros estaban contenidos en una carcasa en forma de U sujeta a una única abertura en la carcasa de la caldera. A medida que aumentaba el diámetro de la caldera, algunas formas incluso se colocaron dentro de la carcasa de la caldera, con los resortes alojados en un hueco en el interior y solo las válvulas y la palanca de equilibrio sobresalían del exterior. [23] Estos tenían inconvenientes obvios para su fácil mantenimiento. [24]
Un inconveniente del tipo Ramsbottom era su complejidad. Un mantenimiento deficiente o un mal montaje del enlace entre el resorte y las válvulas podría provocar que la válvula ya no se abriera correctamente bajo presión. Las válvulas podrían quedar sujetas contra sus asientos y no abrirse o, peor aún, permitir que la válvula se abra pero no lo suficiente para ventilar el vapor a una velocidad adecuada y, por lo tanto, no ser una falla obvia y perceptible. [25] Un mal montaje de esta naturaleza provocó la fatal explosión de una caldera en 1909 en Cardiff en el ferrocarril Rhymney , a pesar de que la caldera era casi nueva, con solo ocho meses de antigüedad. [26]
Las válvulas Naylor se introdujeron alrededor de 1866. Una disposición de palanca acodada redujo la tensión (porcentaje de extensión) del resorte, manteniendo así una fuerza más constante. [nota 1] Fueron utilizados por L&Y y NER . [27]
Todos los diseños de válvulas de seguridad anteriores se abrieron gradualmente y tenían tendencia a perder una "pluma" de vapor a medida que se acercaban al "soplado", aunque estaba por debajo de la presión. Cuando se abrieron, también lo hicieron parcialmente al principio y no ventilaron el vapor rápidamente hasta que la caldera estuvo muy por encima de la presión. [12]
La válvula "pop" de apertura rápida fue una solución a este problema. Su construcción fue simple: la válvula de macho circular existente se cambió a una forma de "sombrero de copa" invertida, con un diámetro superior ampliado. Encajaron en un asiento escalonado de dos diámetros iguales. Cuando estaba cerrado, la presión del vapor actuaba sólo sobre la copa del sombrero de copa y se equilibraba con la fuerza del resorte. Una vez que la válvula se abrió un poco, el vapor pudo pasar por el asiento inferior y comenzó a actuar sobre el ala más grande. Esta área mayor superó la fuerza del resorte y la válvula se abrió completamente con un "pop". El vapor que escapaba en este diámetro mayor también mantuvo la válvula abierta hasta que la presión cayó por debajo de la que se abrió originalmente, lo que proporcionó histéresis . [12]
Estas válvulas coincidieron con un cambio en el comportamiento de disparo. En lugar de demostrar su virilidad mostrando siempre una pluma en la válvula, los bomberos ahora intentaban evitar las explosiones ruidosas, especialmente alrededor de las estaciones o bajo el gran techo de una estación importante. Esto fue principalmente a instancias de los jefes de estación, pero los bomberos también se dieron cuenta de que cualquier soplado a través de una válvula de popa desperdiciaba varias libras de presión de la caldera; Se estima que se perdieron 20 psi y 16 libras o más de carbón paleado. [nota 2] [12]
Válvulas pop derivadas del diseño de patente de Adams de 1873, con un labio extendido. Las válvulas de RL Ross fueron patentadas en 1902 y 1904. Al principio fueron más populares en Estados Unidos, pero se generalizaron a partir de la década de 1920. [28]
Aunque las vistosas cubiertas de latón pulido sobre las válvulas de seguridad habían sido una característica de las locomotoras de vapor desde la época de Stephenson, el único ferrocarril que mantuvo esta tradición en la era de las válvulas pop fue el GWR , con sus distintivos capós de válvulas de seguridad de latón ahusados y chimeneas recubiertas de cobre.
Los avances en las calderas acuotubulares de alta presión para uso marino impusieron mayores exigencias a las válvulas de seguridad. Se requerían válvulas de mayor capacidad para ventilar de forma segura la alta capacidad de generación de vapor de estas grandes calderas. [29] A medida que aumentaba la fuerza sobre sus válvulas, la cuestión de la creciente rigidez del resorte a medida que aumentaba su carga (como la válvula Naylor) se volvió más crítica. [30] La necesidad de reducir el movimiento de las válvulas se volvió aún más importante con las calderas de alta presión, ya que esto representaba tanto una pérdida de agua de alimentación destilada como también una abrasión de los asientos de las válvulas, lo que provocaba desgaste. [29]
Las válvulas de seguridad de gran elevación son del tipo resorte de carga directa, aunque el resorte no se apoya directamente en la válvula, sino en el vástago de la válvula con varilla guía. La válvula está debajo de la base del vástago, el resorte descansa sobre una brida a cierta altura por encima de ésta. El mayor espacio entre la propia válvula y el asiento del resorte permite que la válvula se levante más y se aleje más del asiento. Esto proporciona un flujo de vapor a través de la válvula equivalente a una válvula de un tamaño y medio o dos veces mayor (dependiendo del diseño detallado). [30]
El diseño Cockburn Enhanced High Lift tiene características similares al tipo pop de Ross. El vapor de escape queda parcialmente atrapado en su salida y actúa sobre la base del asiento del resorte, aumentando la fuerza de elevación sobre la válvula y manteniéndola aún más abierta. [30]
Para optimizar el flujo a través de un diámetro determinado de válvula, se utiliza el diseño de paso total. Esto tiene una acción servo , donde se permite el paso del vapor a través de un pasaje de control estrecho si pasa por una pequeña válvula de control. Luego, este vapor no se agota, sino que pasa a un pistón que se utiliza para abrir la válvula principal. [29]
Hay válvulas de seguridad conocidas como PSV y se pueden conectar a manómetros (normalmente con un conector BSP de 1/2"). Estas permiten aplicar una resistencia de presión para limitar la presión forzada sobre el tubo del manómetro, lo que evita el exceso de presión. presurización: la materia que se ha inyectado en el manómetro, si está sobrepresurizada, se desviará a través de una tubería en la válvula de seguridad y se alejará del manómetro.
Existe una amplia gama de válvulas de seguridad que tienen muchas aplicaciones y criterios de rendimiento diferentes en diferentes áreas. Además, se establecen normas nacionales para muchos tipos de válvulas de seguridad.
Se requieren válvulas de seguridad en los calentadores de agua , donde previenen desastres en ciertas configuraciones en caso de que falle un termostato . A esta válvula a veces se la denomina "válvula T&P" (válvula de temperatura y presión). Todavía hay fallas ocasionales y espectaculares de calentadores de agua más antiguos que carecen de este equipo. Las casas pueden quedar arrasadas por la fuerza de la explosión. [33]
Las ollas a presión son ollas con tapa a prueba de presión. La cocción a presión permite que la temperatura suba por encima del punto de ebullición normal del agua (100 grados centígrados al nivel del mar ), lo que acelera la cocción y la hace más completa.
Las ollas a presión suelen tener dos válvulas de seguridad para evitar explosiones. En diseños más antiguos, una es una boquilla sobre la que se asienta un peso. La otra es una arandela de goma sellada que se expulsa en una explosión controlada si la primera válvula se bloquea. En las ollas a presión de nueva generación, si la salida de vapor se bloquea, un resorte de seguridad expulsará el exceso de presión y, si eso falla, la junta se expandirá y liberará el exceso de presión hacia abajo entre la tapa y la olla.
Las ollas a presión de nueva generación tienen un dispositivo de seguridad que bloquea la tapa cuando la presión interna excede la presión atmosférica, para evitar accidentes por una liberación repentina de vapor, alimentos y líquidos muy calientes, lo que sucedería si se quitara la tapa cuando la olla todavía está ligeramente presurizado por dentro (sin embargo, la tapa será muy difícil o imposible de abrir cuando la olla todavía esté presurizada).
La presión más baja exhibida "cuando el tornillo estaba fuera del agua" (como la llaman los oponentes del principio) fue de 34 libras, llegando hasta 60 libras, en la balanza de Salter.
