Válvula de mariposa - Cómo funcionan

Las válvulas de mariposa pertenecen a la familia de las válvulas de cuarto de vuelta y funcionan de forma muy similar a las válvulas de bola. La "mariposa es un disco conectado a una varilla. Se cierra cuando la varilla hace girar el disco un cuarto de vuelta hasta una posición perpendicular a la dirección del flujo (imagen derecha de la figura 1). Cuando la válvula se abre, el disco gira hacia atrás para permitir el flujo (imagen izquierda de la figura 1).

Las válvulas de mariposa se utilizan para los servicios de encendido y apagado o de modulación y son populares debido a su peso ligero, su pequeña huella de instalación, sus menores costes, su rápido funcionamiento y su disponibilidad en tamaños muy grandes. Estas válvulas pueden accionarse mediante manivelas, engranajes o actuadores automáticos.

Índice de contenidos

• Principio de Funcionamiento
• Tipos de válvulas de mariposa
• Método de actuación
• Aplicaciones
• Válvula de bola vs. Válvula de mariposa

Principio de Funcionamiento

Las válvulas de mariposa tienen una construcción relativamente sencilla. Los principales componentes de una válvula de mariposa son el cuerpo, la junta, el disco y el vástago (figura 2). Una válvula de mariposa típica tiene el disco colocado en el centro de la tubería conectada y un vástago que está conectado a un actuador o manija en el exterior de la válvula. En la posición cerrada, el disco es perpendicular al flujo, como se muestra en la figura 2, y está sellado por el asiento de la válvula. El vástago también está sellado mediante el uso de una junta tórica. Cuando el actuador o la manija giran el vástago hacia atrás 90 grados, el disco se aleja del asiento de la válvula y se posiciona en paralelo al flujo. La rotación parcial permite estrangular o proporcional el flujo.

Las válvulas de mariposa utilizadas para servicios de modulación pueden diseñarse para tener una característica lineal o de igual porcentaje.

• Linear: Cuando el caudal tiene una relación lineal con el recorrido del disco, significa que a un X% de apertura del disco el caudal estará en el mismo X% del caudal máximo. Por ejemplo, si el disco se abre 1/3 de vuelta (30 grados), el caudal será del 33,3% del máximo.
• Equal: Si una válvula de mariposa tiene una característica de igual porcentaje, eso significa que incrementos iguales de la carrera de la válvula producen cambios de igual porcentaje en el caudal. A modo de ejemplo, si al pasar de 30 a 40 grados de apertura se incrementa el caudal de 100 a 170 m3/h (en un 70%), al pasar de 40 a 50 grados se incrementa el caudal de 170 a 289 m3/h (en un 70%). El resultado es una relación logarítmica entre el recorrido del disco y el caudal. Los avances en el diseño de las válvulas de mariposa han hecho posible la característica de igual porcentaje para ángulos de apertura de 20 a 90 grados.

Tipos de válvulas de mariposa

Las válvulas de mariposa pueden tener diversos diseños, cada uno de los cuales sirve para aplicaciones y rangos de presión específicos. Las válvulas de mariposa pueden clasificarse en función de su diseño de cierre de disco, diseño de conexión y método de actuación.

Para comparar las válvulas de mariposa y las de bola, lea nuestro artículo de comparación

Diseño de cierre de disco

Las válvulas de mariposa pueden ser concéntricas o excéntricas en función de la ubicación del vástago en relación con el disco y del ángulo de la superficie del asiento sobre el que se cierra el disco.

Concéntrico

El tipo más básico de diseño de válvula de mariposa es una válvula de mariposa céntrica o concéntrica. Esto significa que el vástago pasa por la línea central del disco que está en el centro del orificio de la tubería y el asiento es la periferia del diámetro interior del cuerpo de la válvula (Figura 3 a la izquierda). Este diseño de válvula con desplazamiento cero también se denomina de asiento elástico porque se basa en la flexibilidad de la goma del asiento para sellar eficazmente el flujo cuando se cierra. En este tipo de válvula, el disco entra por primera vez en contacto con el asiento a unos 85° durante una rotación de 90°. Las válvulas de mariposa concéntricas se utilizan habitualmente para rangos de baja presión.

Excéntrico

Una válvula de mariposa excéntrica significa que el vástago no pasa por la línea central del disco, sino por detrás (en sentido contrario al del flujo), como se ve en la figura 2 a la derecha. Cuando el vástago está situado justo detrás de la línea central del disco, la válvula se denomina de desplazamiento simple. Este diseño se desarrolló para reducir el contacto del disco con la junta antes del cierre completo de la válvula con el objetivo de mejorar la vida útil de la misma. Hoy en día, las válvulas de simple desplazamiento han dado paso a las válvulas de mariposa de doble y triple desplazamiento.

En una válvula de mariposa de doble desplazamiento o doblemente excéntrica, el vástago está situado detrás del disco con un desplazamiento adicional hacia un lado (figura 4). Esta doble excentricidad del vástago permite que el disco giratorio roce sobre el asiento sólo entre uno y tres grados.

Una válvula de mariposa de triple desplazamiento (TOV o TOBV) se utiliza a menudo en aplicaciones críticas y está diseñada de forma similar a una válvula de mariposa de doble desplazamiento. El tercer desplazamiento es el eje de contacto disco-asiento. La superficie del asiento adopta una forma cónica que, unida a la misma forma en la cresta del disco, da lugar a un contacto mínimo antes del cierre completo de la válvula. Una válvula de mariposa de triple desplazamiento es más eficiente y permite un menor desgaste. Las válvulas de triple offset suelen tener asientos metálicos para crear un cierre hermético. Los asientos metálicos permiten utilizar las válvulas de mariposa en rangos de temperatura más elevados.

Los diseños de válvulas de mariposa de alto rendimiento utilizan la presión de la tubería para aumentar la interferencia entre el asiento y el borde del disco. Estas válvulas de mariposa tienen una mayor presión nominal y son propensas a un menor desgaste.

Diseño de la conexión

Las válvulas de mariposa pueden conectarse a un sistema de tuberías de diferentes maneras. Los métodos más comunes son el tipo de oblea, el tipo de oreja y la conexión de brida.

Estilo oblea

Una válvula de mariposa tipo wafer es la versión más económica y se intercala entre dos bridas de tubería. Esta válvula puede o no tener agujeros de brida fuera del cuerpo de la válvula como se ve en la figura 5. Las bridas de las tuberías están conectadas a través de largos pernos que atraviesan todo el cuerpo de la válvula. El sellado entre la válvula y las bridas de las tuberías se realiza mediante juntas, juntas tóricas y caras planas de la válvula en ambos lados de la misma. Este tipo de conexión está diseñada para el sellado contra presiones diferenciales bidireccionales y para evitar el reflujo en sistemas diseñados para flujo universal.

Estilo Lug

La válvula de mariposa tipo oreja tiene insertos roscados (orejas) fuera del cuerpo de la válvula (Figura 5). Dos juegos de pernos conectan las bridas de los tubos a cada lado de los insertos de los pernos sin tuercas. Este diseño permite la desconexión de un lado sin afectar al otro para un servicio sin salida. Las válvulas de mariposa tipo "Lug" utilizadas en el servicio de callejón sin salida suelen tener una presión nominal más baja. Las válvulas de mariposa tipo oreja, a diferencia de las de tipo oblea, soportan el peso de la tubería a través del cuerpo de la válvula.

Método de actuación

Las válvulas de mariposa pueden accionarse manualmente mediante manivelas y engranajes o automáticamente mediante actuadores eléctricos, neumáticos o hidráulicos. Estos dispositivos permiten una rotación precisa del disco hasta posiciones que van desde la apertura hasta el cierre total. A continuación se describen brevemente los diferentes tipos de métodos de actuación.

Actuación manual

Las válvulas de mariposa de accionamiento manual son económicas y fáciles de manejar. Los dos métodos más comunes se discuten a continuación:

• Palanca de mano: Es común para las válvulas de mariposa pequeñas y es capaz de bloquearse en una posición de abierto, parcialmente abierto o cerrado. Un ejemplo puede verse en la Figura 3, a la izquierda.
• El equipo: Están diseñados para válvulas de mariposa ligeramente más grandes y utilizan una caja de cambios para aumentar el par motor a costa de una menor velocidad de apertura/cierre. Las válvulas accionadas por engranajes también son autoblocantes (no pueden retroceder) y pueden estar equipadas con indicadores de posición. Un ejemplo puede verse en la figura 3 de la derecha.

Actuación automática

Los actuadores eléctricos son un método fiable para controlar las válvulas desde una ubicación remota. Estos actuadores también hacen posible el funcionamiento rápido de válvulas más grandes. Los actuadores pueden diseñarse para que se abran (permanezcan abiertos en caso de fallo del actuador) o para que se cierren (permanezcan cerrados en caso de fallo del actuador) y a menudo vienen con un método de actuación manual en caso de fallo (como se ve en la figura 7). A continuación se enumeran los tres tipos de actuadores automáticos, pero para conocerlos mejor lea nuestro artículo sobre actuadores.

• Eléctrico: Utilice un motor eléctrico para girar el vástago de la válvula (Figura 6).
• Neumático Requiere aire comprimido para mover un pistón o diafragma para abrir/cerrar la válvula.
• Hidráulica: Requiere una presión hidráulica para mover un pistón o diafragma para abrir/cerrar la válvula.

Aplicaciones

Las válvulas de mariposa están muy extendidas entre diversas industrias y aplicaciones, como la farmacéutica, la química y la petrolera, la alimentaria, la de suministro de agua, la de tratamiento de aguas residuales, la de protección contra incendios, la de suministro de gas y la de manipulación de combustibles. Estas válvulas están disponibles en tamaños muy grandes y son adecuadas para manejar lodos y líquidos con cantidades relativamente grandes de sólidos a bajas presiones.

Válvula de bola vs. Válvula de mariposa

Normalmente, una válvula de mariposa con características similares es más barata, más fácil de instalar y ocupa poco espacio en la instalación en comparación con las válvulas de mariposa. Sin embargo, debido al disco de las válvulas de mariposa, no se pueden desarmar para su limpieza. Lasválvulas de bola son ventajosas para las aplicaciones de alta presión de pequeño diámetro, ya que se adaptan mejor a las presiones diferenciales más altas y provocan una caída de presión muy pequeña en el sistema. Las válvulas de mariposa tienen un diseño relativamente sencillo, lo que significa que tienen menos piezas móviles y menos bolsas/trampas para los medios, lo que facilita las reparaciones y abarata los costes de mantenimiento. Para diámetros de tubería pequeños, el par de torsión y el uso de material de las válvulas de bola es relativamente bajo. Normalmente, las ventajas de par y coste de las válvulas de mariposa comienzan a imponerse a partir de DN 50 mm.