Una válvula es un dispositivo u objeto natural que regula, dirige o controla el flujo de un fluido (gases, líquidos, sólidos fluidizados o lodos ) abriendo, cerrando u obstruyendo parcialmente varios pasajes. Las válvulas son técnicamente accesorios , pero generalmente se analizan como una categoría separada. En una válvula abierta, el fluido fluye en una dirección desde una presión más alta a una presión más baja. La palabra se deriva del latín valva , la parte móvil de una puerta, a su vez de volvere , girar, rodar.
La válvula más simple y antigua es simplemente una aleta con bisagras libres que se abre hacia abajo para obstruir el flujo de fluido (gas o líquido) en una dirección, pero que es empujada hacia arriba por el propio flujo cuando este se mueve en la dirección opuesta. Esto se llama válvula de retención , ya que impide o "controla" el flujo en una dirección. Las válvulas de control modernas pueden regular la presión o el flujo aguas abajo y funcionar en sistemas de automatización sofisticados .
Las válvulas tienen muchos usos, incluido el control del agua para riego , usos industriales para controlar procesos, usos residenciales como el encendido/apagado y el control de presión para lavavajillas y lavadoras y grifos en el hogar. Las válvulas también se utilizan en los sectores militar y de transporte. En los conductos de HVAC y otros flujos de aire casi atmosféricos, las válvulas se denominan compuertas . Sin embargo, en los sistemas de aire comprimido, se utilizan válvulas, siendo el tipo más común las válvulas de bola.
Las válvulas se encuentran en prácticamente todos los procesos industriales, incluido el procesamiento de agua y aguas residuales, la minería, la generación de energía, el procesamiento de petróleo, gas y derivados del petróleo, la fabricación de alimentos, la fabricación de productos químicos y plásticos y muchos otros campos.
Las personas en los países desarrollados utilizan válvulas en su vida diaria, incluidas válvulas de plomería , como grifos de agua corriente , válvulas de control de gas en cocinas, pequeñas válvulas instaladas en lavadoras y lavavajillas , dispositivos de seguridad instalados en sistemas de agua caliente y válvulas de asiento en motores de automóviles.
En la naturaleza, existen válvulas, por ejemplo, válvulas unidireccionales en las venas que controlan la circulación sanguínea , y válvulas cardíacas que controlan el flujo de sangre en las cámaras del corazón y mantienen la acción de bombeo correcta.
Las válvulas pueden operarse manualmente, ya sea mediante un mango o empuñadura, palanca , pedal o rueda. Las válvulas también pueden ser automáticas, accionadas por cambios de presión, temperatura o caudal. Estos cambios pueden actuar sobre un diafragma o un pistón que, a su vez, activa la válvula; ejemplos de este tipo de válvulas que se encuentran comúnmente son las válvulas de seguridad instaladas en sistemas de agua caliente o calderas .
Los sistemas de control más complejos que utilizan válvulas que requieren un control automático basado en una entrada externa (es decir, regular el flujo a través de una tubería hasta un punto de ajuste variable) requieren un actuador . Un actuador accionará la válvula según su entrada y configuración, lo que permite posicionarla con precisión y permitir el control sobre una variedad de requisitos.
Las válvulas varían ampliamente en forma y aplicación. Los tamaños [ ambiguos ] suelen oscilar entre 0,1 mm y 60 cm. Las válvulas especiales pueden tener un diámetro superior a los 5 metros. [ ¿Cuáles? ]
Los costos de las válvulas varían desde válvulas desechables simples y económicas hasta válvulas especializadas que cuestan miles de dólares (EE. UU.) por pulgada de diámetro de la válvula.
Las válvulas desechables se pueden encontrar en artículos domésticos comunes, incluidos dispensadores con minibombas y latas de aerosol .
Un uso común del término válvula se refiere a las válvulas de asiento que se encuentran en la gran mayoría de los motores de combustión interna modernos, como los de la mayoría de los vehículos alimentados con combustibles fósiles, que se utilizan para controlar la admisión de la mezcla de combustible y aire y permitir la ventilación de los gases de escape.
Las válvulas son muy diversas y pueden clasificarse en varios tipos básicos. Las válvulas también pueden clasificarse según su modo de accionamiento:
Las partes principales del tipo de válvula más habitual son el cuerpo y la tapa. Estas dos partes forman la carcasa que contiene el fluido que pasa por la válvula.
El cuerpo de la válvula es la carcasa exterior de la mayor parte o de la totalidad de la válvula que contiene las piezas internas o los accesorios . El bonete es la parte de la carcasa a través de la cual pasa el vástago (ver a continuación) y que forma una guía y un sello para el vástago. El bonete normalmente se atornilla o se atornilla al cuerpo de la válvula.
Los cuerpos de las válvulas suelen ser metálicos o plásticos . El latón , el bronce , el bronce de cañón , el hierro fundido , el acero , los aceros aleados y los aceros inoxidables son muy comunes. [1] Las aplicaciones de agua de mar, como las plantas de desalinización, a menudo utilizan válvulas dúplex, así como válvulas superdúplex, debido a sus propiedades de resistencia a la corrosión, particularmente contra el agua de mar caliente. Las válvulas de aleación 20 se utilizan normalmente en plantas de ácido sulfúrico, mientras que las válvulas de monel se utilizan en plantas de ácido fluorhídrico (ácido HF). Las válvulas de Hastelloy se utilizan a menudo en aplicaciones de alta temperatura, como plantas nucleares, mientras que las válvulas de inconel se utilizan a menudo en aplicaciones de hidrógeno. Los cuerpos de plástico se utilizan para presiones y temperaturas relativamente bajas. El PVC , el PP , el PVDF y el nailon reforzado con vidrio son plásticos comunes utilizados para los cuerpos de las válvulas. [ cita requerida ]
Un bonete actúa como una cubierta en el cuerpo de la válvula. Por lo general, se atornilla de forma semipermanente al cuerpo de la válvula o se atornilla a él. Durante la fabricación de la válvula, las piezas internas se colocan en el cuerpo y luego se fija el bonete para mantener todo junto en el interior. Para acceder a las partes internas de una válvula, un usuario quitaría el bonete, generalmente para realizar tareas de mantenimiento. Muchas válvulas no tienen bonetes; por ejemplo, las válvulas de tapón generalmente no tienen bonetes. Muchas válvulas de bola no tienen bonetes porque el cuerpo de la válvula se ensambla de un estilo diferente, como atornillarse en el medio del cuerpo de la válvula.
Los puertos son conductos que permiten que el fluido pase a través de la válvula. Los puertos están obstruidos por el miembro o el disco de la válvula para controlar el flujo. Las válvulas suelen tener 2 puertos, pero pueden tener hasta 20. La válvula casi siempre está conectada en sus puertos a tuberías u otros componentes. Los métodos de conexión incluyen roscas , accesorios de compresión , pegamento , cemento , bridas o soldadura .
Una manija se utiliza para controlar manualmente una válvula desde fuera del cuerpo de la válvula. Las válvulas controladas automáticamente a menudo no tienen manijas, pero algunas pueden tener una manija (o algo similar) de todos modos para anular manualmente el control automático, como una válvula de retención de parada . Un actuador es un mecanismo o dispositivo para controlar de forma automática o remota una válvula desde fuera del cuerpo. Algunas válvulas no tienen manija ni actuador porque se controlan automáticamente desde adentro; por ejemplo, las válvulas de retención y las válvulas de alivio pueden no tener ninguna de las dos.
Un disco, también conocido como miembro de válvula, es una obstrucción móvil dentro del cuerpo estacionario que restringe de manera ajustable el flujo a través de la válvula. Aunque tradicionalmente tienen forma de disco, los discos vienen en varias formas. Dependiendo del tipo de válvula, un disco puede moverse linealmente dentro de una válvula, o girar sobre el vástago (como en una válvula de mariposa ), o girar sobre una bisagra o muñón (como en una válvula de retención). Una bola es un miembro de válvula redondo con uno o más caminos entre los puertos que pasan a través de él. Al girar la bola, el flujo se puede dirigir entre diferentes puertos. Las válvulas de bola utilizan rotores esféricos con un orificio cilíndrico perforado como paso de fluido. Las válvulas de tapón utilizan rotores cilíndricos o cónicos llamados tapones. [ ambiguo ] También son posibles otras formas redondas para rotores en las válvulas de rotor, siempre que el rotor pueda girar dentro del cuerpo de la válvula. Sin embargo, no todos los discos redondos o esféricos son rotores; Por ejemplo, una válvula de retención de bola utiliza la bola para bloquear el flujo inverso, pero no es un rotor porque el funcionamiento de la válvula no implica la rotación de la bola.
El "asiento" es la superficie interior del cuerpo que entra en contacto con el disco para formar un sello hermético. En los discos que se mueven linealmente o que oscilan sobre una bisagra o muñón, el disco entra en contacto con el asiento solo cuando la válvula está cerrada. En los discos que giran, el asiento siempre está en contacto con el disco, pero el área de contacto cambia a medida que el disco gira. El asiento siempre permanece estacionario en relación con el cuerpo.
Los asientos se clasifican según estén cortados directamente en la carrocería o estén hechos de un material diferente:
Una válvula cerrada con asiento blando tiene muchas menos probabilidades de tener fugas cuando está cerrada, mientras que las válvulas con asiento duro son más duraderas. Las válvulas de compuerta, globo y retención suelen tener asiento duro, mientras que las válvulas de mariposa, bola, tapón y diafragma suelen tener asiento blando.
El vástago transmite el movimiento desde el mango o dispositivo de control hasta el disco. El vástago normalmente pasa a través del capó cuando está presente. En algunos casos, el vástago y el disco pueden combinarse en una sola pieza, o el vástago y el mango pueden combinarse en una sola pieza.
El movimiento transmitido por el vástago puede ser una fuerza lineal, un par de torsión rotacional o alguna combinación de estos (válvula angular que utiliza un pasador de reactor de torsión y un conjunto de cubo). La válvula y el vástago se pueden roscar de manera que el vástago se pueda atornillar dentro o fuera de la válvula girándolo en una dirección u otra, moviendo así el disco hacia adelante o hacia atrás dentro del cuerpo. [ ambiguo ] A menudo se utiliza empaquetadura entre el vástago y la cubierta para mantener un sello. Algunas válvulas no tienen control externo y no necesitan un vástago como en la mayoría de las válvulas de retención.
Las válvulas cuyo disco se encuentra entre el asiento y el vástago y donde el vástago se mueve en una dirección hacia el interior de la válvula para cerrarla se denominan válvulas de asiento normal o de asiento delantero . Las válvulas cuyo asiento se encuentra entre el disco y el vástago y donde el vástago se mueve en una dirección hacia el exterior de la válvula para cerrarla se denominan válvulas de asiento inverso o de asiento posterior . Estos términos no se aplican a válvulas sin vástago o válvulas que utilizan rotores.
Las juntas son sellos mecánicos o empaquetaduras que se utilizan para evitar fugas de gases o fluidos de las válvulas.
Las válvulas de bola también se utilizan para aplicaciones de alta presión, alta tolerancia y trabajo pesado. Por lo general, están hechas de acero inoxidable, titanio , estelita , Hastelloy, latón o níquel . También pueden estar hechas de diferentes tipos de plástico, como ABS , PVC, PP o PVDF.
Muchas válvulas tienen un resorte para cargar el resorte, para cambiar normalmente el disco a una posición predeterminada pero permitir que el control reposicione el disco. Las válvulas de alivio comúnmente usan un resorte para mantener la válvula cerrada, pero permiten que una presión excesiva fuerce la válvula a abrirse contra la carga del resorte. Normalmente se usan resortes helicoidales . Los materiales típicos para resortes incluyen acero galvanizado , acero inoxidable y, para aplicaciones de alta temperatura, Inconel X750.
Los elementos internos de una válvula se denominan colectivamente guarnición de la válvula . De acuerdo con las normas API 600, "Válvula de compuerta de acero: extremos con bridas y para soldadura a tope, capós atornillados", la guarnición consta de vástago, superficie de asiento en el cuerpo, superficie de asiento de la compuerta, buje o una soldadura depositada para el asiento trasero y la guía del orificio del vástago, y pequeñas piezas internas que normalmente entran en contacto con el fluido de servicio, excluyendo el pasador que se utiliza para hacer una conexión de vástago a compuerta (este pasador debe estar hecho de un material de acero inoxidable austenítico).
Las posiciones de las válvulas son condiciones de funcionamiento determinadas por la posición del disco o rotor en la válvula. Algunas válvulas están diseñadas para funcionar en un cambio gradual entre dos o más posiciones. Las válvulas de retorno y las válvulas antirretorno permiten que el fluido se mueva en 2 o 1 direcciones respectivamente.
Las posiciones de funcionamiento de las válvulas de 2 puertos pueden ser cerradas (cerradas) de modo que no pase flujo alguno, completamente abiertas para un flujo máximo o, a veces, parcialmente abiertas en cualquier grado intermedio. Muchas válvulas no están diseñadas para controlar con precisión un grado intermedio de flujo; se considera que dichas válvulas están abiertas o cerradas. Algunas válvulas están especialmente diseñadas para regular cantidades variables de flujo. Estas válvulas han recibido diversos nombres, como válvulas de regulación , de estrangulamiento , de medición o de aguja . Por ejemplo, las válvulas de aguja tienen discos cónicos alargados y asientos a juego para un control preciso del flujo. Para algunas válvulas, puede haber un mecanismo para indicar cuánto está abierta la válvula, pero en muchos casos se utilizan otras indicaciones del caudal, como medidores de caudal separados .
En plantas con operación de proceso controlada a distancia, como refinerías de petróleo y plantas petroquímicas, algunas válvulas de 2 vías pueden designarse como normalmente cerradas (NC) o normalmente abiertas (NO) durante la operación regular. Ejemplos de válvulas normalmente cerradas son las válvulas de muestreo , que solo se abren mientras se toma una muestra. Otros ejemplos de válvulas normalmente cerradas son las válvulas de apagado de emergencia , que se mantienen abiertas cuando el sistema está en funcionamiento y se cerrarán automáticamente al quitar la fuente de alimentación. Esto sucede cuando hay un problema con una unidad o una sección de un sistema de fluido, como una fuga, para aislar el problema del resto del sistema. Ejemplos de válvulas normalmente abiertas son las válvulas de suministro de gas de purga o las válvulas de alivio de emergencia. Cuando hay un problema, estas válvulas se abren (apagándolas) haciendo que la unidad se limpie y se vacíe.
Aunque muchas válvulas de 2 vías se fabrican en las que el flujo puede ir en cualquier dirección entre los dos puertos, cuando se coloca una válvula en una determinada aplicación, a menudo se espera que el flujo vaya desde un puerto determinado en el lado de aguas arriba de la válvula, al otro puerto en el lado de aguas abajo . Los reguladores de presión son variaciones de válvulas en las que el flujo se controla para producir una cierta presión aguas abajo, si es posible. A menudo se utilizan para controlar el flujo de gas desde un cilindro de gas . Un regulador de contrapresión es una variación de una válvula en la que el flujo se controla para mantener una cierta presión aguas arriba, si es posible.
Las válvulas con tres puertos cumplen muchas funciones diferentes. A continuación se enumeran algunas de las posibilidades.
Las válvulas de bola de tres vías tienen conductos de fluido en forma de T o de L dentro del rotor. La válvula en forma de T se puede utilizar para permitir la conexión de una entrada a una o ambas salidas, o la conexión de las dos salidas. La válvula en forma de L se puede utilizar para permitir la desconexión de ambas, o la conexión de una, pero no de ambas, de las dos entradas a una salida.
Las válvulas de lanzadera conectan automáticamente la entrada de mayor presión con la salida mientras que (en algunas configuraciones) evitan el flujo de una entrada a la otra.
Las válvulas mezcladoras de una sola manija producen una mezcla variable de agua fría y caliente a un caudal variable bajo el control de una sola manija.
Las válvulas mezcladoras termostáticas mezclan agua caliente y fría para producir una temperatura constante en presencia de presiones y temperaturas variables en los dos puertos de entrada.
Una válvula de 4 puertos es una válvula cuyo cuerpo tiene cuatro puertos espaciados de manera uniforme alrededor del cuerpo y el disco tiene dos pasajes para conectar puertos adyacentes. Funciona con dos posiciones.
Se puede utilizar para aislar y desviar simultáneamente un cilindro de muestreo instalado en una línea de agua presurizada. Es útil para tomar una muestra de fluido sin afectar la presión de un sistema hidráulico y para evitar la desgasificación (sin fugas, sin pérdida de gas o entrada de aire, sin contaminación externa)....
Muchas válvulas se controlan manualmente con una manija unida al vástago. Si la manija se gira noventa grados entre las posiciones de operación, la válvula se llama válvula de cuarto de vuelta. Las válvulas de mariposa, de bola y de tapón a menudo son válvulas de cuarto de vuelta. Si la manija es circular con el vástago como eje de rotación en el centro del círculo, entonces la manija se llama volante. Las válvulas también pueden controlarse mediante actuadores unidos al vástago. Pueden ser actuadores electromecánicos como un motor eléctrico o solenoide , actuadores neumáticos que se controlan por presión de aire o actuadores hidráulicos que se controlan por la presión de un líquido como aceite o agua. Los actuadores se pueden utilizar para fines de control automático, como en los ciclos de la lavadora, control remoto, como el uso de una sala de control centralizada , o porque el control manual es demasiado difícil, como cuando la válvula es muy grande. Los actuadores neumáticos y los actuadores hidráulicos necesitan líneas de aire o líquido presurizado para suministrar al actuador: una línea de entrada y una línea de salida. Las válvulas piloto son válvulas que se utilizan para controlar otras válvulas. Las válvulas piloto en las líneas del actuador controlan el suministro de aire o líquido que llega a los actuadores.
La válvula de llenado del tanque de agua del inodoro es una válvula que se activa según el nivel de líquido. Cuando se alcanza un nivel alto de agua, un mecanismo cierra la válvula y llena el tanque.
En algunos diseños de válvulas, la presión del propio fluido que fluye o la diferencia de presión del fluido que fluye entre los puertos controlan automáticamente el flujo a través de la válvula.
Las válvulas suelen estar clasificadas por el fabricante para la temperatura y presión máximas. Los materiales húmedos de una válvula también suelen estar identificados. Hay algunas válvulas clasificadas para presiones muy altas. Cuando un diseñador, ingeniero o usuario decide utilizar una válvula para una aplicación, debe asegurarse de que nunca se excedan la temperatura y presión máximas nominales y de que los materiales húmedos sean compatibles con el fluido al que está expuesto el interior de la válvula. En Europa, el diseño de las válvulas y las clasificaciones de presión están sujetos a la regulación legal según la Directiva de equipos a presión 97/23/EC (PED). [2]
Algunos diseños de sistemas de fluidos, especialmente en plantas químicas o de energía, se representan esquemáticamente en diagramas de tuberías e instrumentación. En dichos diagramas, los diferentes tipos de válvulas se representan mediante ciertos símbolos.
Las válvulas en buen estado no deben tener fugas. Sin embargo, con el tiempo pueden desgastarse por el uso y generar una fuga, ya sea entre el interior y el exterior de la válvula o, cuando la válvula se cierra para detener el flujo, entre el disco y el asiento. Una partícula atrapada entre el asiento y el disco también podría causar dicha fuga.
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