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 , un recipiente a presión u otro sistema cuando la presión o la temperatura exceden 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 único, 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 ellas eran propensas a explotar a menos que se las operara 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 utiliza agua de enjuague fría después de procedimientos de CIP (limpieza en el lugar) o SIP (esterilización en el lugar) calientes. Al dimensionar una válvula de seguridad de vacío, el método de cálculo no está definido en ninguna norma, particularmente en el escenario de CIP caliente/agua fría, pero algunos fabricantes [1] han desarrollado simulaciones de dimensionamiento.
El término válvula de seguridad también se utiliza metafóricamente .
La válvula de seguridad más antigua y sencilla se utilizó en un digestor de vapor de 1679 y utilizaba un peso para retener la presión del vapor (este diseño todavía se utiliza comúnmente en ollas a presión ); sin embargo, estas se manipulaban fácilmente o se soltaban accidentalmente. En el ferrocarril Stockton y Darlington , la válvula de seguridad tendía a dispararse cuando la locomotora chocaba contra un bache en la vía. Una válvula menos sensible a las aceleraciones repentinas utilizaba un resorte para contener la presión del vapor, pero estas (basadas en una balanza de resorte Salter ) aún podían atornillarse para aumentar la presión más allá de los límites de diseño. Esta práctica peligrosa a veces se utilizaba para aumentar marginalmente el rendimiento de una máquina de vapor.
En 1856, John Ramsbottom inventó una válvula de seguridad con resorte a prueba de manipulaciones que se volvió universal en los ferrocarriles. La válvula Ramsbottom consistía en dos válvulas de tipo tapón conectadas entre sí por un brazo pivotante cargado con 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 haría que la otra válvula se levantara de su asiento, independientemente de cómo se intentara el ajuste. El punto de pivote en el brazo no estaba ubicado simétricamente entre las válvulas, por lo que cualquier ajuste del resorte haría que una de las válvulas se levantara.
Solo quitando y desmontando todo el conjunto de válvulas se podía ajustar la presión de funcionamiento, lo que hacía imposible que las tripulaciones de la locomotora "amarraran" la válvula de forma improvisada en busca de más potencia. El brazo pivotante se extendía comúnmente en forma de manija y se introducía de nuevo en la cabina de la locomotora, lo que permitía a las tripulaciones "balancear" ambas válvulas para sacarlas de sus asientos y confirmar que estaban ajustadas y funcionando correctamente.
Las válvulas de seguridad también evolucionaron para proteger equipos como recipientes a presión (calentados o no) e intercambiadores de calor . El término válvula de seguridad debe limitarse a aplicaciones de fluidos compresibles (gas, vapor o vapor).
Los dos tipos generales de protección que se encuentran en la industria son la protección térmica y la protección de flujo .
En el caso de los recipientes llenos de líquido, las válvulas de alivio térmico se caracterizan generalmente 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 descargado 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 que se montan para la protección térmica. Por lo general, están dimensionadas 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 la tubería. Esta protección se puede lograr alternativamente 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 se asocia con los términos válvula de alivio de presión (PRV), válvula de seguridad de presión (PSV) y válvula de alivio . El término genérico es válvula de alivio de presión (PRV) o válvula de seguridad de presión (PSV). Las PRV y las 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 resortes (incluso con resortes). LPSV y VPSV funcionan con resortes 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 los códigos de diseño de equipos, como los proporcionados por la ASME , API y otras organizaciones como ISO (ISO 4126). Estos códigos incluyen estándares de diseño para válvulas de alivio y cronogramas para la inspección y prueba periódicas después de que el ingeniero de la empresa haya retirado las válvulas. [3] [4]
En la actualidad, las industrias de alimentación, bebidas, cosmética, farmacéutica y química fina exigen válvulas de seguridad higiénicas, totalmente drenables y lavables in situ. La mayoría están fabricadas en 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 olla a presión primitiva 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 utilizar una palanca de " roca ", se necesitaba un peso más pequeño; además, la presión se podía regular fácilmente deslizando el mismo peso hacia adelante y hacia atrás a lo largo del brazo de la palanca. Papin mantuvo el mismo diseño para su bomba de vapor de 1707. [6] [7]
Las primeras válvulas de seguridad se consideraban parte de los controles del maquinista y requerían una 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 muchacho entrenado para operar el motor lo dejó para pescar anguilas en el río, sin liberar 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 maquinista y otra sellada dentro de la caldera con un peso fijo. Esta no era ajustable y se liberaba a una presión más alta, con la intención de garantizar la seguridad. [9]
Cuando se utilizaban en locomotoras, estas válvulas vibraban y tenían fugas, 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 usaban 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 lo tanto, la potencia del motor, con mayor riesgo de explosión. [10]
Aunque las válvulas de seguridad de peso muerto tuvieron una vida útil corta en las locomotoras de vapor, siguieron utilizándose en calderas estacionarias mientras existió la energía de vapor. [11]
Las válvulas con contrapeso eran sensibles a los rebotes provocados por el brusco andar de las primeras locomotoras. Una solución fue utilizar un resorte ligero en lugar de un peso. Esta fue la invención de Timothy Hackworth en su Royal George de 1828. [12] Debido a la limitada metalurgia de la época, las primeras válvulas de resorte de Hackworth utilizaban una pila de múltiples ballestas en forma de acordeón . [13]
Estas válvulas de resorte de acción directa se podían ajustar apretando las tuercas que sujetaban el resorte. Para evitar manipulaciones, a menudo estaban envueltas en carcasas altas de latón que también expulsaban el vapor de la tripulación de la locomotora.
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La balanza de muelles helicoidales Salter para pesar se fabricó por primera vez en Gran Bretaña alrededor de 1770. [14] En ella se utilizaron los aceros para muelles recientemente desarrollados para fabricar un muelle potente pero compacto en una sola pieza. Una vez más, utilizando el mecanismo de palanca, una balanza de muelles de este tipo podía aplicarse a la considerable fuerza de una válvula de seguridad de caldera.
La válvula de equilibrio de resorte también actuaba como un manómetro, lo cual era útil ya que los manómetros anteriores eran manómetros de mercurio difíciles de manejar y el manómetro Bourdon aún no se había inventado. [15]
El riesgo de que los bomberos bloquearan la válvula de seguridad persistía. [16] [17] Esto se vio fomentado por el hecho de que estaban equipadas 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 una conducta aceptada hasta bien entrada la década de 1850. [18] [19] Más tarde, fue común que las válvulas Salter se instalaran en pares, una ajustable y a menudo calibrada para su uso como manómetro, la otra sellada dentro de una tapa cerrada para evitar manipulaciones.
Las válvulas emparejadas también se ajustaban a menudo a presiones ligeramente diferentes: una válvula pequeña como medida de control y la válvula bloqueable más grande y fijada permanentemente a una presión más alta, como medida de seguridad. [12] [20] Algunos diseños, como uno de Sinclair para el ferrocarril Eastern Counties en 1859, tenían el resorte de la 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 las interferencias. [21]
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En 1855, John Ramsbottom , más tarde superintendente de locomotoras de la LNWR , describió una nueva forma de válvula de seguridad destinada a mejorar la fiabilidad y, especialmente, a ser resistente a la manipulación. Se utilizaban un par de válvulas de tapón, sujetas por una palanca común accionada por resorte entre ellas con un único resorte central. Esta palanca se extendía característicamente hacia atrás, llegando a menudo 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 fomentaba. Al balancear la palanca, se liberaban las válvulas alternativamente y se comprobaba que ninguna se quedaba atascada en su asiento. [22] Incluso si el bombero mantenía la palanca hacia abajo y aumentaba la fuerza en la válvula trasera, se producía una reducción correspondiente de la fuerza en la válvula delantera. [12] [23]
Se produjeron varias formas de válvulas Ramsbottom. Algunas eran accesorios separados para la caldera, a través de penetraciones separadas. [23] Otras estaban contenidas en una carcasa en forma de U sujeta a una sola 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 sobresaliendo hacia el exterior. [23] Estas tenían desventajas obvias para un fácil mantenimiento. [24]
Un inconveniente del tipo Ramsbottom era su complejidad. Un mantenimiento deficiente o un montaje incorrecto del enlace entre el resorte y las válvulas podían provocar que una válvula ya no se abriera correctamente bajo presión. Las válvulas podían mantenerse contra sus asientos y no abrirse o, peor aún, permitir que la válvula se abriera pero no lo suficiente para ventilar el vapor a un ritmo adecuado y, por lo tanto, no ser un fallo obvio y perceptible. [25] Un montaje incorrecto de esta naturaleza provocó una explosión fatal de la caldera en 1909 en Cardiff en el ferrocarril de 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. Un sistema de manivela acodada reducía la tensión (porcentaje de extensión) del resorte, manteniendo así una fuerza más constante. [nota 1] Fueron utilizadas por L&Y y NER . [27]
Todos los diseños de válvulas de seguridad anteriores se abrían gradualmente y tenían tendencia a dejar escapar una "pluma" de vapor a medida que se acercaban al punto de "descarga", aunque este se encontraba por debajo de la presión. Cuando se abrían, también lo hacían parcialmente al principio y no liberaban vapor rápidamente hasta que la caldera estaba muy por encima de la presión. [12]
La válvula de apertura rápida "pop" fue una solución a este problema. Su construcción era sencilla: la válvula de tapón circular existente se cambió por una forma de "sombrero de copa" invertido, con un diámetro superior agrandado. Encajaban en un asiento escalonado de dos diámetros iguales. Cuando se cerraba, la presión del vapor actuaba solo sobre la corona del sombrero de copa y se equilibraba con la fuerza del resorte. Una vez que la válvula se abría un poco, el vapor podía pasar por el asiento inferior y comenzaba a actuar sobre el borde más grande. Esta área mayor abrumaba la fuerza del resorte y la válvula se abría completamente con un "pop". El vapor que se escapaba por este diámetro mayor también mantenía la válvula abierta hasta que la presión había caído por debajo de la presión a la que se abrió originalmente, lo que proporcionaba histéresis . [12]
Estas válvulas coincidieron con un cambio en el comportamiento de encendido. En lugar de dejar que el vapor alcanzara una pluma en la válvula, los bomberos (fogoneros) ahora intentaban evitar el soplado ruidoso, especialmente en los andenes o bajo el gran techo de una estación importante. Esto se debía principalmente a instancias de los jefes de estación, pero también porque los bomberos se dieron cuenta de que cualquier soplado a través de una válvula de seguridad desperdiciaba presión de la caldera. En un caso, se estimó que esto era de 20 psi (140 kPa) perdidos correspondientes a la quema de 16 lb (7,3 kg) o más de carbón paleado. [nota 2] [12]
Las válvulas pop se derivaron del diseño patentado 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 cubiertas de válvulas de seguridad de latón pulido habían sido una característica temprana de las locomotoras de vapor, el único ferrocarril que mantuvo esta tradición después de que se introdujeron las válvulas pop fue el Great Western Railway , con sus distintivas cubiertas de válvulas de seguridad de latón cónico y chimeneas con tapa de cobre.
Los avances en calderas acuotubulares de alta presión para uso marino exigieron más a las válvulas de seguridad. Se requirieron válvulas de mayor capacidad para ventilar de manera segura la alta capacidad de generación de vapor de estas grandes calderas. [29] A medida que aumentaba la fuerza sobre sus válvulas, el problema de la rigidez creciente del resorte a medida que aumentaba su carga (como en la válvula Naylor) se volvió más crítico. [30] La necesidad de reducir el emplumado de las válvulas se volvió aún más importante en las calderas de alta presión, ya que esto representaba tanto una pérdida de agua de alimentación destilada como también un desgaste de los asientos de las válvulas. [29]
Las válvulas de seguridad de alta elevación son de tipo resorte de carga directa, aunque el resorte no se apoya directamente sobre la válvula, sino sobre un vástago de 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 este. El mayor espacio entre la válvula misma y el asiento del resorte permite que la válvula se eleve más, más lejos del asiento. Esto proporciona un flujo de vapor a través de la válvula equivalente a una válvula de un tamaño uno y medio o dos veces mayor (según el diseño detallado). [30]
El diseño mejorado de elevación alta de Cockburn 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, lo que aumenta la fuerza de elevación en la válvula y la mantiene más abierta. [30]
Para optimizar el flujo a través de un diámetro dado de válvula, se utiliza el diseño de paso completo. Este tiene una acción servo , donde el vapor pasa a través de un estrecho pasaje de control si pasa por una válvula de control pequeña. Este vapor no se expulsa, sino que pasa a un pistón que se utiliza para abrir la válvula principal. [29]
Existen válvulas de seguridad conocidas como PSV y se pueden conectar a manómetros (generalmente con un conector BSP de 1/2"). Estas permiten aplicar una resistencia de presión para limitar la presión ejercida sobre el tubo del manómetro, lo que evita la sobrepresurización. La materia que se ha inyectado en el manómetro, si está sobrepresurizada, se desviará a través de un tubo en la válvula de seguridad y se alejará del manómetro.
Existe una amplia gama de válvulas de seguridad con diferentes aplicaciones y criterios de rendimiento en diferentes áreas. Además, existen normas nacionales para muchos tipos de válvulas de seguridad.
Las válvulas de seguridad son necesarias en los calentadores de agua , ya que evitan desastres en ciertas configuraciones en caso de que falle un termostato . A este tipo de válvulas se las denomina a veces "válvula T&P" (válvula de temperatura y presión). Aún se producen fallas espectaculares ocasionales de calentadores de agua 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. Cocinar a presión permite que la temperatura suba por encima del punto de ebullición normal del agua (100 grados Celsius 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 los 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 se bloquea el respiradero de vapor, un resorte de seguridad expulsará el exceso de presión y, si este 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 presurizada en el interior (sin embargo, la tapa será muy difícil o imposible de abrir cuando la olla todavía esté presurizada).
La presión más baja que se registró "cuando la hélice estaba fuera del agua" (como la denominan los opositores del principio) fue de 34 libras, con un rango de hasta 60 libras, en la balanza de Salter.
