¿Qué es una válvula de globo?
Figura 1: Una válvula de globo neumática
Una válvula de globo es un tipo de válvula utilizada para iniciar, detener y/o regular el flujo en una tubería. La válvula tiene un elemento tipo disco móvil y un asiento de anillo estacionario dentro del cuerpo de la válvula y es efectiva para estrangular el flujo y permitir un control preciso. El nombre válvula de globo proviene de su forma esférica. Este artículo explora el mecanismo de funcionamiento, las características y las aplicaciones comunes de las válvulas de globo.
Tabla de contenidos
- Partes y principio de funcionamiento de la válvula de globo
- Ventajas de la válvula de globo
- Desventajas de la válvula de globo
- Aplicaciones de la válvula de globo
- Variaciones de diseño de la válvula de globo
- Características de flujo de la válvula de globo
- Comparación de las válvulas de globo con otros tipos de válvulas
- Preguntas frecuentes
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Partes y principio de funcionamiento de la válvula de globo
Una válvula de globo tiene dos cámaras separadas para el control del flujo. El proceso de activación implica girar un vástago a través de un volante o un actuador mecánico, que a su vez, levanta o baja el tapón o disco. El principio de funcionamiento de la válvula de globo se explica en detalle a continuación:
- Movimiento del disco: El mecanismo central de una válvula de globo implica el movimiento de un disco (o tapón) (Figura 2 etiquetada como C) en relación con el asiento de anillo estacionario. El disco está conectado a un vástago (Figura 2 etiquetada como A) que, a su vez, es operado por un actuador externo (manual, usando un volante, o automático, usando actuadores neumáticos, hidráulicos o eléctricos). Cuando se gira el volante o el actuador, se mueve el vástago y el disco adjunto en un movimiento lineal hacia o lejos del asiento.
- Regulación del flujo: En la posición abierta, el fluido fluye a través del espacio entre el disco y el asiento. A medida que la válvula se cierra, el disco se mueve hacia el asiento, reduciendo gradualmente el área de flujo y, por lo tanto, restringiendo el flujo. Cuando el disco contacta completamente con el asiento, el flujo se detiene por completo. Este control preciso sobre la posición del disco permite excelentes capacidades de estrangulación, lo que hace que la válvula de globo sea ideal para la regulación del flujo.
- Mecanismo de sellado: El asiento generalmente está diseñado para coincidir con la forma del disco para un mejor sellado. En algunos diseños, el disco puede estar compuesto de o recubierto con un material más suave para asegurar un sellado más ajustado.
Figura 2: Diagrama de válvula de globo que muestra los diversos componentes de la válvula de globo: Una válvula de globo en la posición abierta (izquierda) y en la posición cerrada (derecha) mostrando el vástago (A), el bonete (B), el disco o tapón (C) y el cuerpo de la válvula (D).
Ventajas de la válvula de globo
- Estrangulación y modulación excepcionales: Las válvulas de globo son ideales para el control preciso del flujo, permitiendo ajustes finos en la tasa de flujo, lo cual es crucial en sistemas que requieren modulación regular.
- Capacidad de cierre confiable: Aseguran un sellado hermético cuando están cerradas, lo cual es crítico para detener el flujo durante el mantenimiento o emergencias.
- Eficiencia en mantenimiento y reparación: Diseñadas para un fácil mantenimiento, sus componentes son fácilmente accesibles, reduciendo el tiempo de inactividad y los costos.
- Versatilidad en el mantenimiento: El disco y el asiento pueden ser reemplazados o reacondicionados, prolongando la vida útil de la válvula y asegurando un funcionamiento eficiente.
Desventajas de la válvula de globo
- Pérdida de carga significativa: Una desventaja importante de las válvulas de globo es la caída de presión debido al camino del fluido a través de la válvula, lo cual puede mitigarse utilizando válvulas de globo en forma de Y o de ángulo para menos turbulencia y pérdida de presión. La pérdida de carga debe considerarse al diseñar los parámetros de flujo de la válvula de globo.
- Aumento de la fuerza de operación: Se requiere más fuerza para operar las válvulas de globo, especialmente en entornos de alta presión, lo que a menudo requiere actuadores automatizados.
- Operación más lenta: Su diseño no es adecuado para situaciones que requieren una apertura o cierre rápido debido a la operación de múltiples giros.
- Susceptibilidad a la cavitación y al flashing: Las diferencias de presión altas pueden causar cavitación y flashing, lo que puede dañar la válvula.
- Costo: El diseño complejo y el proceso de fabricación hacen que las válvulas de globo sean más caras en comparación con otros tipos de válvulas.
Aplicaciones de la válvula de globo
Las válvulas de globo son la opción óptima para aplicaciones que requieren una modulación precisa del flujo, donde la pérdida de presión no es una preocupación crítica, incluyendo escenarios como:
- Sistemas de agua de enfriamiento
- Sistemas de aceite combustible
- Sistemas de alimentación de agua y productos químicos
- Válvulas de ventilación y drenaje de calderas y vapor principal
- Sistema de lubricación de turbinas
- Aplicaciones de drenaje y ajuste en sistemas de rociadores (no como válvulas de control en sistemas de rociadores contra incendios, donde la presión es primordial)
Lea nuestro artículo sobre aplicaciones de válvulas de globo para obtener más información sobre las aplicaciones industriales de las válvulas de globo.
Variaciones de diseño de la válvula de globo
Diseño del camino de flujo
Las válvulas de globo tienen múltiples diseños basados en su camino de flujo:
- Válvula de globo en T o Z (Figura 3 izquierda): Este es el diseño más común para las válvulas de globo, caracterizado por un cuerpo que obliga al flujo a cambiar de dirección dos veces, creando un camino que se asemeja a la letra "Z". Este diseño es efectivo para estrangular porque la configuración del asiento y el disco permite un control preciso sobre el flujo. Sin embargo, este diseño también resulta en una mayor caída de presión a través de la válvula con un coeficiente L/D típico de ~340.
- Válvula de globo en ángulo (Figura 3 medio): Como su nombre indica, las válvulas de globo en ángulo tienen un cuerpo diseñado de manera que las entradas y salidas forman un ángulo de 90 grados, asemejándose a un codo. Este diseño permite que el fluido cambie de dirección solo una vez, reduciendo la caída de presión en comparación con el diseño en T o Z. Las válvulas de globo en ángulo de 90 grados son útiles en aplicaciones donde la configuración de la tubería requiere un cambio de dirección, combinando las funciones de una válvula y un codo. Estas válvulas de globo tienen un coeficiente L/D típico de ~55.
- Válvula de globo en Y (Figura 3 derecha): La válvula de globo en Y es una variación de la válvula de globo estándar diseñada para minimizar la caída de presión. En este diseño, el cuerpo de la válvula y el asiento están angulados de manera que ofrecen un camino de flujo más directo (menos tortuoso que el camino en forma de Z) mientras que aún permiten buenas capacidades de estrangulación. La forma en "Y" reduce la severidad del cambio de dirección del flujo, resultando en una menor pérdida de presión en comparación con las válvulas de globo tradicionales en T o Z. Estas válvulas de globo tienen un coeficiente L/D típico de ~150.
Además, las válvulas de globo de doble asiento cuentan con dos tapones y asientos correspondientes, mejorando su capacidad para manejar tasas de flujo más altas y proporcionando un diseño equilibrado que minimiza la fuerza requerida para operar la válvula, haciéndolas una opción eficiente para aplicaciones que requieren un control preciso del flujo con una fuerza de actuación mínima.
Figura 3: Válvula de globo en T o Z (izquierda), válvula de globo en ángulo (medio), válvula de globo en Y (derecha)
Diseño del tapón
Las válvulas de globo pueden tener uno de los siguientes diseños de tapón:
- Disco de tapón: El diseño del disco de tapón se caracteriza por su forma sólida y cónica, que encaja perfectamente en el asiento de la válvula para regular o bloquear el flujo. Este tipo es conocido por su durabilidad y efectividad en proporcionar un sellado hermético, haciéndolo adecuado para aplicaciones que requieren un control preciso del flujo.
- Disco de composición: Con un disco con un inserto reemplazable, generalmente hecho de un material más suave como goma o PTFE, el disco de composición está diseñado para asegurar un sellado hermético incluso en presencia de partículas en el fluido. Este tipo es ideal para aplicaciones donde el sellado contra impurezas es crítico.
- Disco de bola: Como su nombre indica, este tipo de disco incorpora una bola esférica que se alinea con el asiento para controlar el flujo. El disco de bola ofrece una operación suave y es particularmente efectivo en aplicaciones que requieren capacidades de cierre rápido. Su diseño permite un mantenimiento fácil y es adecuado para aplicaciones de control moderado.
Figura 4: Tipos de discos de válvula de globo: Disco de tapón (izquierda), disco de composición (medio) y disco de bola (derecha)
Características de flujo de la válvula de globo
Las válvulas de globo exhiben características de flujo distintas que son fundamentales en su selección y aplicación en sistemas de control de fluidos. Estas características se definen principalmente por el coeficiente de flujo inherente de la válvula (Cv), la curva de flujo y la relación entre el levantamiento de la válvula y la tasa de flujo bajo condiciones de presión variables.
Coeficiente de flujo inherente (Cv)
El valor Cv de la válvula de globo representa la capacidad de flujo de la válvula, indicando el volumen de fluido que puede pasar con una caída de presión de una psi. El coeficiente de flujo de la válvula de globo es típicamente bajo debido a su diseño, que prioriza el control preciso del flujo sobre la alta capacidad de flujo.
Curvas de flujo: lineal vs porcentaje igual
- Curva de flujo lineal: Ofrece una proporción directa entre el levantamiento de la válvula y la tasa de flujo, adecuada para aplicaciones con caída de presión constante.
- Curva de flujo de porcentaje igual: Proporciona una relación exponencial entre el levantamiento de la válvula y la tasa de flujo, ideal para condiciones de caída de presión variables, mejorando la precisión del control.
El dimensionamiento adecuado es crucial para ajustar las características de flujo de la válvula con los requisitos de la aplicación, asegurando una operación eficiente. La elección entre lineal y porcentaje igual depende de la dinámica de presión del sistema y las necesidades de control.
Figura 5: Símbolo P&ID de válvula de globo
Comparación de las válvulas de globo con otros tipos de válvulas
Otros tipos de válvulas de movimiento lineal/multi-giro y válvulas de cuarto de vuelta/rotatorias son clasificaciones comunes de válvulas que son comparables a una válvula de globo. Su propósito y función determinan cómo se utilizan en diferentes aplicaciones.
Válvulas de movimiento lineal/multi-giro
Las válvulas de globo industriales son válvulas de multi-giro. Una válvula de compuerta también utiliza un volante de multi-giro para mover el tapón de la válvula en una dirección lineal, pero una válvula de compuerta tiene un flujo directo. El vástago de la válvula en una válvula de compuerta baja un tapón u obstrucción que bloquea el camino del flujo o permite el flujo sin requerir que el medio cambie de dirección. En consecuencia, las válvulas de compuerta tienen una pérdida de carga mucho menor (L/D=~8) cuando están completamente abiertas, pero no deben usarse para regular el flujo debido a un aumento drástico en la pérdida de carga y al desgaste incrementado en la compuerta y el asiento de la válvula de compuerta. Lea nuestro artículo válvula de globo vs válvula de compuerta para más detalles.
Válvulas de cuarto de vuelta/rotatorias
Una válvula rotatoria utiliza una manija de llave, moviéndose solo un cuarto de vuelta (90 grados) para abrir o cerrar la válvula. La válvula de corte en una línea de gas es un ejemplo común de este tipo de válvula, diseñada para una función rápida de encendido/apagado. Dos tipos comunes de válvulas de cuarto de vuelta/rotatorias son válvulas de bola y válvulas de mariposa.
- Las válvulas de bola utilizan una esfera, o bola, con un agujero perforado a través de ella, permitiendo el flujo cuando el agujero está paralelo a la dirección del flujo y bloqueándolo cuando está en una posición perpendicular.
- Una válvula de mariposa utiliza una placa delgada para bloquear el flujo cuando su superficie está perpendicular a la dirección del flujo o permitir el flujo cuando está paralela.
Las válvulas de cuarto de vuelta/rotatorias tienen una pérdida de carga muy baja (L/D=~3) pero tienen una capacidad de estrangulación limitada. Lea nuestro artículo válvula de globo vs válvula de bola para más detalles.
Preguntas frecuentes
¿Cómo elegir entre válvulas de globo de 2 vías y de 3 vías?
Use válvulas de globo de 2 vías para encendido/apagado o estrangulación en un solo camino de flujo. Use válvulas de 3 vías para mezclar o desviar el flujo entre dos caminos diferentes.
¿Cómo logran las válvulas de globo de alta presión soportar altas presiones?
Las válvulas de globo de alta presión están diseñadas con materiales robustos y paredes más gruesas, y a menudo cuentan con un mecanismo de cierre reforzado.
¿Cuál es el propósito de un indicador de posición en una válvula de globo?
Un indicador de posición muestra visualmente el estado abierto o cerrado de la válvula, ayudando en las verificaciones manuales y la monitorización del sistema.
¿Cuáles son las ventajas de usar una válvula de globo eléctrica en comparación con una manual?
Las válvulas de globo eléctricas ofrecen control remoto y automatización, permitiendo una regulación precisa del flujo y una integración más fácil en los sistemas de control en comparación con las válvulas manuales.
