En las plantas industriales donde se utiliza vapor es frecuente que éste se genere en la caldera a una presión relativamente alta y en distintos puntos del proceso esa presión se reduzca a un valor apropiado a las necesidades de cada uno de los equipos que consumen vapor. Esa reducción suele lograrse mediante el empleo de válvulas reductoras de presión para vapor, un tipo especial de válvulas automáticas específicamente diseñadas para la misión a la que se las destina: reducir la presión del vapor hasta el valor necesario en los puntos de consumo.
¿Por qué es necesario reducir la presión del vapor?
Existen varias razones por las cuales el vapor se genera a alta presión y luego se reduce ésta. En primer lugar se encuentran las razones económicas: si en las tuberías de distribución del vapor se emplea una presión elevada, el diámetro de las tuberías puede ser más pequeño, y por tanto se reduce su coste.
En segundo lugar se encuentran las necesidades de los distintos equipos que consumen vapor, cada uno de los cuales requiere o puede requerir una temperatura de trabajo distinta. Como para el vapor saturado la presión y la temperatura están directamente relacionadas, la manera más simple de disponer de vapor a la temperatura necesaria es ajustar su presión al valor apropiado. Ese ajuste suele llevarse a cabo mediante válvulas reductoras de presión para vapor.
Reducir la presión del vapor: no tan sencillo
La manera más simple de reducir la presión del vapor es colocar en la tubería algún elemento que produzca una pérdida de carga adecuada. Ello puede lograrse, por ejemplo, mediante una simple válvula de globo parcialmente abierta; ajustándo adecuadamente su apertura conseguiremos fácilmente la reducción de presión deseada; pero esa presión variará con el caudal de vapor, de manera que cuando el equipo consumidor de vapor aumente (o disminuya) su demanda, la presión a la que le llegará el vapor disminuirá (o aumentará), y a consecuencia de ello se modificará la temperatura del vapor, un efecto que en general es indeseable. Una solución mucho más efectiva la proporcionan las válvulas reductoras de presión para vapor.
Ventajas de las válvulas reductoras de presión para vapor
Aunque es posible mantener constante la presión de vapor empleando una válvula de control convencional, el hecho de que para su funcionamiento se requiera de un sensor de presión y de un regulador las sitúa en desventaja frente a las válvulas reductoras de presión para vapor, que ofrecen prestaciones similares mediante un funcionamiento autónomo sin necesidad de elementos externos de soporte ni de aporte de energía y tienen la ventaja de una mejor velocidad de respuesta ante las fluctuaciones de la presión del vapor.
¿Cómo funcionan las válvulas reductoras de presión para vapor?
Las válvulas reductoras de presión para vapor controlan la presión del vapor aguas abajo de la válvula ajustando automáticamente su apertura de manera que dicha presión no varíe aunque aumente el caudal que la atraviesa o fluctúe la presión del vapor aguas arriba. Para lograr ese comportamiento los fabricantes utilizan pistones, muelles o diafragmas apropiadamente dispuestos en el interior de las válvulas reductoras de presión para vapor.
Tipos de válvulas reductoras de presión para vapor
En la actualidad el mecanismo generalmente utilizado para ajustar de manera automàtica la presión aguas abajo es el equilibrio de fuerzas entre la presión del vapor y un resorte de ajuste.
Las distintas formas de implementación de dicho mecanismo para que las válvulas reductoras de presión para vapor realicen adecuadamente su función hace que existan dos familias principales de este tipo de válvulas: las de acción directa y las pilotadas.
Válvulas reductoras de presión para vapor de acción directa: funcionamiento
En las válvulas de acción directa, un diafragma cuya posición depende del equilibrio de fuerzas entre el resorte y la presión del vapor a la salida, está rígidamente unido al obturador cuya posición controla el paso del vapor.
Cuando la presión del vapor a la salida es inferior a la deseada, la fuerza que el vapor hace sobre el diafragma es inferior a la que realiza el muelle. Debido a ello el diafragma se mueve hacia abajo, con lo que el obturador aumenta su apertura, con lo que disminuye la pérdida de carga soportada por el vapor y la presión del vapor a la salida aumenta hasta alcanzar e valor establecido. La siguiente animación muestra cómo se produce el proceso.
Cuando la presión a la salida aumenta y se hace superior a la deseada, el proceso es inverso: el diafragma empuja el muelle hacia arriba y el obturador asciende, cerrando el paso del vapor lo que aumenta la pérdida de carga y hace descender la presión a la salida hasta el valor preestablecido. La siguiente animación muestra cómo se produce el proceso.
Si la presión a la entrada cae, la diferencia de presión entre la entrada y la salida disminuye, por lo que la fuerza hacia arriba sobre el obturador también disminuye. Ello hace que el obturador abra más y deje pasar más vapor, con lo que la presión a la salida aumenta. Cuando ello ocurre, la fuerza que el vapor ejerce sobre el diafragma aumenta, con lo que este último se desplaza hacia arriba y se reduce el paso de vapor, disminuyendo la presión a la salida hasta el valor predeterminado. La siguiente animación muestra cómo se produce el proceso.
Si la presión de entrada aumenta, también aumenta la diferencia de presión entre la entrada y la salida, por lo que también aumenta la fuerza sobre el obturador, que es empujado hacia arriba reduciendo su apertura. Ello hace que el obturador deje pasar menos vapor, con lo que la presión a la salida disminuye. Cuando ello ocurre, la fuerza que el vapor ejerce sobre el diafragma disminuye, con lo que este último se desplaza hacia abajo y se aumenta el paso de vapor, aumentando la presión a la salida hasta el valor predeterminado. La siguiente animación muestra cómo se produce el proceso.
Debido a que la fuerza que realiza un muelle varía con su extensión, la utilización de las válvulas de acción directa no se recomienda más que para procesos en los que las exigencias en la exactitud en el control de la presión secundaria no sean muy elevadas. En general se emplean para aplicaciones en las que el consumo de vapor es relativamente pequeño.
Válvulas reductoras de presión para vapor pilotadas: funcionamiento
En las válvulas reductoras de presión para vapor pilotadas, se usa una válvula piloto para actuar sobre un pistón o diafragma que aumenta la fuerza hacia abajo que se usa para abrir una válvula principal más grande. Esto permite una mayor capacidad de flujo con una menor compensación de presión (caída).
La apertura y el cierre de la válvula piloto están controlados por el equilibrio de fuerza entre el resorte de ajuste y la presión secundaria de la misma manera que en una válvula de acción directa. Sin embargo, en las válvulas reductoras de presión para vapor operadas por piloto, esta apertura y cierre de la válvula piloto proporciona presión deliberadamente al pistón o diafragma de la válvula principal.
Esta presión del flujo que atraviesa la válvula piloto provoca una fuerza hacia abajo que se amplifica por el área del pistón o diafragma para permitir la apertura de una válvula principal mucho más grande. Debido a que la fuerza hacia abajo se amplifica mediante el uso de un pistón o diafragma, un pequeño cambio en la apertura de la válvula piloto puede resultar en un gran cambio en el flujo y la presión aguas abajo a través de la válvula principal.
Como resultado, se necesita un pequeño cambio en la fuerza del resorte de ajuste en el piloto para lograr una respuesta rápida en una amplia gama de caudales de vapor. La respuesta rápida y el control estricto de la presión entregada representan las principales ventajas de este tipo de válvula sobre el tipo de acción directa.
Un ejemplo de este tipo de válvula es la COS-R de TLV, cuyo despiece se muestra en la siguiente figura:
Las siguientes animaciones muestran como ejemplo el funcionamiento de la válvula reductora de presión para vapor COS-R de TLV ilustrando su comportamiento frente a las principales “incidencias”que pueden darse en su funcionamiento.
Veamos en primer lugar cómo se comporta la válvula si disminuye la presión de salida:
Si la presión de salida disminuye, la fuerza aplicada por el diafragma sobre el muelle de ajuste (parte superior) disminuye y como resultado, el muelle se expande y el diafragma empuja la válvula piloto hacia abajo.
Entonces la válvula piloto se abre más y permite que un mayor caudal de vapor fluya hacia la cabeza del pistón. Ello empuja el pistón hacia abajo haciendo que la válvula principal aumente su apertura permitiendo pasar más cantidad de vapor a su través, lo que restaura la presión de salida a su valor objetivo.
El mecanismo para contrarrestar un aumento de la presión de salida se ilustra en la siguiente animación:
Si la presión de salida aumenta, aumenta la fuerza aplicada por el diafragma sobre el muelle de ajuste y como resultado el muelle se contrae y el diafragma tira de la válvula piloto hacia arriba.
Entones la válvula piloto reduce su apertura y reduce el caudal de vapor que fluye hacia la cabeza del pistón. Ello reduce la fuerza que empuja hacia abajo el pistón, que entonces es desplazado hacia arriba por la fuerza que hace el muelle inferior.
Como consecuencia la válvula principal reduce su apertura, el flujo de vapor a su través se reduce y la presión a la salida regresa a su valor objetivo.
La tercera variación que requiere una acción compensatoria es la reducción de la presión a la entrada de la válvula, cuyo funcionamiento se muestra en la siguiente animación:
Si la presión a la entrada disminuye, disminuye también la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la válvula, debido a lo cual la fuerza que actúa sobre la válvula principal tendiendo a cerrarla, por lo que la válvula abre más.
Ello hace que el caudal de vapor que atraviesa la válvula aumente, aumentando la presión a la salida.
Cuando la presión a la salida aumenta, la fuerza aplicada al muelle superior por el diafragma también aumenta, con lo que el muelle se contrae y reduce la apertura de la válvula piloto.
Como consecuencia la válvula piloto deja pasar menos vapor hacia la cabeza del pistón, lo que hace que este se mueva hacia arriba, reduciendo la apertura de la válvula principal y por tanto el flujo de vapor a través de la misma, con lo que se reduce la presión a la salida hasta el punto de consigna.
La última variación de interés es el aumento de la presión a la entrada, cuyo mecanismo de compensación se muestra en la siguiente animación:
Si aumenta la presión a la entrada, aumentará la diferencia entre la presión a la entrada y a la salida, aumentando igualmente la fuerza que se ejerce hacia arriba en la válvula principal, que reducirá su apertura.
Como consecuencia se reducirá el caudal de vapor que fluye hacia la salida de la válvula, reduciendo la presión a la salida.
Cuando se reduce la presión a la salida, disminuye la fuerza aplicada por el diafragma sobre el muelle de ajuste, que se expandirá aumentando la apertura de la válvula piloto.
Como consecuencia, aumenta el flujo de vapor hacia el pistón, lo que lo empuja hacia abajo abriendo más la válvula principal, que dejará pasar más vapor restaurando la presión a la salida al valor deseado.
De las características anteriores, se puede ver que la función y las aplicaciones de las válvulas reductoras de presión para vapor de acción directa no pilotadas difieren sustancialmente de las operadas por piloto.
En breve:
• Las válvulas de operación directa se usan cuando las cargas son pequeñas y se puede aceptar alguna caída de presión aguas abajo. Se utilizan generalmente en servicios de carga ligera.
• Las válvulas reductoras de presión operadas por piloto pueden responder rápidamente a condiciones de carga variables mientras mantienen una presión secundaria estable donde se necesita un control de presión preciso. Por lo general, están destinados a aplicaciones de carga más grandes.
Cospect de TLV: La revolución en el mundo de las válvulas reductoras de presión para vapor
Como hemos visto, una correcta instalación de las válvulas reductoras de presión para vapor exige acompañarlas de varios elementos que las protejan: como mínimo un separador de gotas equipado con su correspondiente purgador y un filtro.
Un montaje de este tipo tiene un aspecto similar al siguiente:
Ya hace más de 30 años TLV presentó al mercado un nuevo concepto en válvulas reductoras de presión para vapor que hasta el momento ningún competidor ha sido capaz de superar: la integración en un solo cuerpo de la válvula reductora, el filtro, el separador de gotas y el purgador. El resultado se denomina COSPECT y se muestra en la siguiente figura:
La válvulas reductoras de presión para vapor COSPECT se caracterizan por suministrar permanentemente vapor de calidad, es decir, vapor seco y a presión constante.
Gracias a su separador ciclónico de alta eficacia, que elimina el 98% de la humedad, TLV garantiza que el vapor que suministra COSPECT es totalmente seco y la exactitud de la presión secundaria es mejor que 0,1 bar gracias al diseño de pistón esférico autocentrante, como se muestra en las siguientes figuras:
COSPECT es la mejor opción para quienes necesitan que su proceso se alimente con vapor de calidad, vapor seco y a presión constante.
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