Capítulo 9: Válvulas de control de flujo

El orificio

Un orificio es una abertura relativamente pequeña en una trayectoria de flujo de fluido. El flujo a través de un orificio está influenciado por varios factores, siendo los tres principales:

1. Tamaño del Orificio
2. Diferencial de presión a través del orificio
3. Temperatura del fluido

Efecto del tamaño del orificio sobre el flujo

El tamaño del orificio controla el flujo que pasa a través de él. Un ejemplo cotidiano común es la boquilla de una manguera de jardín: si la abertura de la boquilla es pequeña, el agua sale en forma de una fina niebla o rocío; si la abertura es mayor, se convierte en un chorro concentrado. En ambos casos, la boquilla de la manguera actúa como orificio que limita la dirección del flujo de agua; el caudal que atraviesa el orificio queda determinado por el tamaño de la abertura.

Figura 9-1: Válvula de control de flujo en un circuito. La válvula estrangula el flujo hacia el cilindro. El caudal excedente de la bomba se desvía a través de la válvula de alivio. El flujo restringido se transforma en energía potencial (velocidad) en el orificio.

Orificio Fijo

Un orificio fijo tiene un tamaño de abertura que no se puede ajustar. Los ejemplos más comunes en tecnología hidráulica son el orificio perforado en un tapón de tubería o en una válvula de retención, o la válvula de control de caudal preajustada en fábrica.

Orificio variable

En la mayoría de los casos se necesita un orificio variable en lugar de uno fijo, porque es más adaptable. Las válvulas de compuerta, las válvulas de bola y las válvulas de aguja son todos ejemplos de orificios variables.

Válvula de compuerta

Una válvula de compuerta tiene un paso de flujo en línea recta. El tamaño del orificio se modifica girando la manija para abrir o cerrar la compuerta en la trayectoria del flujo. Aunque las válvulas de compuerta no están diseñadas para el control de caudal, en algunos sistemas rudimentarios de medición de caudal pueden utilizarse como dispositivos de restricción de flujo.

Válvula de bolas

Los pasos de flujo de una válvula de bola no son rectos: realizan un giro de 90°. El orificio está formado por el asiento y el obturador cónico o la bola obturadora en el paso giratorio. El tamaño de la abertura del orificio se ajusta modificando la posición de la bola obturadora.

Válvula de aguja

El flujo a través de las válvulas de aguja también realiza un giro de 90° y luego pasa por un orificio. Este orificio consiste en la separación entre la varilla de la válvula con extremo cónico y el asiento de la válvula. El tamaño del orificio se modifica ajustando la posición de la cara cónica respecto al asiento de la válvula. Dado que las roscas de ajuste de la varilla de la válvula son de paso fino y la punta es cónica, el tamaño del orificio cambia de forma gradual. En los sistemas hidráulicos, la válvula de aguja es el orificio variable más utilizado.

Figura 9-2: Tipos de orificios variables. La válvula de aguja (abajo) es la más común en aplicaciones hidráulicas: su punta cónica y sus roscas finas permiten un ajuste de caudal muy preciso y gradual.

Aplicación de la válvula de aguja en un circuito

El circuito de ejemplo utiliza una bomba de desplazamiento positivo de 5 gpm (18,95 L/min), una válvula de alivio, una válvula direccional, un orificio variable (válvula de aguja) y un cilindro hidráulico con un área de pistón de 3 in² (19,35 cm²). Si la válvula de alivio está ajustada a 500 psi (34,48 bar) y la bomba suministra 5 gpm:

Con la válvula de aguja restringiendo el caudal a solo 2 gpm (7,58 lpm), la velocidad de la varilla = 2 × 19,25 / 3 = 13 pies/min (3,96 m/min). La válvula de alivio limita la presión del sistema a 500 psi (34,48 bar) derivando los 3 gpm restantes (11,37 lpm) al depósito.

Apertura del orificio de la válvula de aguja

Girar la válvula de aguja hacia afuera aumenta el orificio: pasa más caudal al cilindro, hasta alcanzar el límite de presión de la válvula de alivio. La velocidad de la varilla aumenta.

Cierre del orificio de la válvula de aguja

Girar la válvula de aguja hacia adentro reduce el orificio. Ingresa menos caudal al cilindro, por lo que disminuye la velocidad de la varilla.

Efecto de la diferencia de presión sobre el caudal

El caudal a través de un orificio se ve afectado por la diferencia de presión. Dado que la presión es energía potencial en un sistema hidráulico, cuanto mayor sea la diferencia de presión a través del orificio, mayor será el caudal que lo atraviesa.

Ejemplo cotidiano: colchón de aire

Después de un día en la playa o en el campamento, retira el tapón de un colchón de aire inflado y deja que el aire salga libremente. Como la diferencia de presión entre el interior y el exterior es pequeña, el colchón se desinfla lentamente. Aprieta firmemente el colchón: la presión interna aumenta con respecto a la presión atmosférica, la diferencia de presión se incrementa y el aire sale más rápidamente.

Aprieta suavemente un tubo de pasta de dientes: sale una pequeña cantidad. Aprieta con fuerza: sale más pasta de dientes y puede caer al suelo. Si se pisa el tubo de pasta de dientes, la diferencia de presión entre el interior y la atmósfera es mayor que cuando se aprieta a mano, por lo que sale más pasta de dientes y a mayor velocidad.

Efecto de la diferencia de presión sobre el caudal en una válvula de aguja en un circuito

En el circuito mostrado, la válvula de aguja limita el caudal de la bomba de 5 gpm (18,95 L/min) a 3 gpm (11,37 L/min). Ajuste de la válvula de alivio: 500 psi (34,48 bar). Resistencia de carga: 200 psi (14 bar). La presión de entrada en la válvula de aguja equivale al ajuste de la válvula de alivio: 500 psi (34,48 bar). De estos 500 psi (34,48 bar), 200 psi (14 bar) vencen la resistencia de carga; la diferencia de presión restante de 300 psi (21 bar) impulsa un caudal de 3 gpm (11,3 L/min) a través de la válvula de aguja, generando una velocidad del vástago de 19,25 pies/min (5,87 m/min). El caudal restante de 2 gpm (7,58 L/min) pasa a través de la válvula de alivio hacia el depósito.

Aumentar el ajuste de la válvula de alivio

Manteniendo sin cambios la presión de carga y el ajuste de la válvula de aguja, al aumentar el ajuste de la válvula de alivio a 600 psi (41,38 bar), la presión de entrada en la válvula de aguja pasa a ser de 600 psi (41,38 bar). De esta presión, 200 psi (14 bar) vencen la carga; ahora una diferencia de presión de 400 psi (28 bar) impulsa un caudal de 4 gpm (15 L/min) a través de la válvula de aguja. La velocidad del vástago aumenta a 26 pies/min (7,92 m/min).

La presión de carga aumenta

Restablezca la válvula de alivio a 500 psi (34,48 bar) manteniendo sin cambios la válvula de aguja. Aumento de la carga: la presión de carga sube a 400 psi (28 bar). La presión de entrada en la válvula de aguja sigue siendo de 500 psi (34,48 bar), pero ahora solo hay una diferencia de presión de 100 psi (6,9 bar) que impulsa el caudal a través de la válvula de aguja: únicamente 1 gpm (3,79 lpm). La velocidad del vástago disminuye a 6 ft/min (30 mm/s). El caudal restante de 4 gpm (15 lpm) se desvía por la válvula de alivio.

Esto demuestra que el caudal a través de una válvula de aguja varía con cualquier cambio de presión en cualquiera de los dos lados del orificio. Para dosificar con precisión el caudal mediante una válvula de aguja, dichos cambios de presión deben ser anulados o compensados.

Válvula de control de velocidad (válvula de control de caudal compensada en presión)

A partir de los ejemplos anteriores, cualquier cambio de presión en cualquiera de los dos lados del orificio afecta el caudal a través de la válvula de aguja, modificando la velocidad del actuador. Para regular con precisión el caudal a través de un orificio independientemente de las variaciones de presión, dichas variaciones deben compensarse. La válvula de aguja es una válvula de control de caudal no compensada: constituye un buen dispositivo de regulación de caudal siempre que la diferencia de presión se mantenga constante y la aguja esté bien centrada. Para un control de caudal más preciso, debe utilizarse una válvula de control de caudal compensada por presión (válvula de control de velocidad). Se trata de un regulador de caudal que compensa los cambios de presión aguas arriba y aguas abajo del orificio.

Las válvulas de control de velocidad (válvulas de control de caudal compensadas por presión) pueden clasificarse en tipo entrada y tipo derivación.

Construcción de la válvula de control de velocidad tipo entrada

La válvula de control de caudal compensada por presión tipo entrada consta de un cuerpo de válvula con puertos de entrada y salida, una válvula de aguja, un émbolo compensador y un resorte de precarga.

Funcionamiento del tipo entrada

Para comprender cómo funciona el tipo de regulación por entrada, analizamos su funcionamiento paso a paso. Cuando la válvula compensadora se desplaza completamente hacia el lado A, todo el aceite a presión de entrada llega al orificio de la válvula de aguja. Siempre que la válvula compensadora se desplace ligeramente hacia el lado B, el aceite a presión de entrada se estrangula. Para mantener abierta la vía de flujo, la válvula compensadora está sometida a la acción de un resorte que la empuja hacia el lado A. La presión de entrada en la válvula de aguja se detecta mediante un conducto de control interno que conduce al extremo A de la válvula compensadora; cuando dicha presión supera la fuerza de pretensión del resorte, la válvula se desplaza hacia el lado B.

Si el orificio de la válvula de aguja se ajusta de modo que pase a su través un caudal menor que el caudal total de la bomba, la presión de entrada de la válvula de aguja aumenta hasta alcanzar el valor de ajuste de la válvula de alivio. Cuando la presión de entrada de la válvula de aguja supera la fuerza del resorte del pistón compensador, este se desplaza hacia B, estrangulando el caudal entrante. Cuando el caudal que atraviesa el orificio del pistón compensador es igual al caudal de salida de la bomba, la presión de entrada de la válvula de aguja se estabiliza en el valor de presión del resorte. Por ejemplo, con un resorte calibrado a 100 psi (6,89 bar) y una válvula de alivio ajustada a 500 psi (34,48 bar): la presión de entrada es de 500 psi (34,48 bar); al circular aceite a través del orificio del pistón compensador, 400 psi (28 bar) se convierten en calor, reduciendo la presión de entrada de la válvula de aguja a 100 psi (6,89 bar). Esto significa que, independientemente de la presión de entrada de la válvula de control de caudal, debido a la acción del pistón compensador, la presión de entrada de la válvula de aguja se mantiene constante en 100 psi (6,89 bar).

Figura 9-5: Válvula de control de velocidad de entrada (compensada en presión). El émbolo compensador mantiene constante la caída de presión a través de la válvula de aguja, independientemente de los cambios de presión en la entrada o en la salida, lo que garantiza un caudal preciso y constante.

En el circuito anterior con válvula de aguja, el diferencial de presión a través del orificio de la válvula de aguja constituye solo la mitad del problema: también debe compensarse la presión aguas abajo de dicha válvula. En otras palabras, debe mantenerse un diferencial de presión constante. Para lograrlo, la presión aguas abajo de la válvula de aguja también se dirige, mediante un conducto de control, a la cámara del resorte de precarga del émbolo compensador. Ahora actúan dos fuerzas sobre el lado A del émbolo compensador: la fuerza del resorte y la presión del aceite aguas abajo.

Si la fuerza del resorte = 100 psi (6,89 bar), la diferencia de presión en la válvula de aguja se limitará a un valor superior a la presión aguas abajo en 100 psi (6,89 bar). Siempre que la válvula de alivio esté ajustada a un valor suficientemente alto, la diferencia de presión en la orificio de la válvula de aguja será siempre igual al valor de presión del resorte. De este modo, la diferencia de presión que impulsa el flujo a través de la válvula de aguja permanece constante —sin verse afectada por las fluctuaciones de la presión aguas arriba o aguas abajo.

Válvula de control de velocidad de entrada medida en un circuito

En el circuito, la válvula de control de velocidad de entrada está ajustada a 3 gpm (11,37 L/min). La válvula de alivio está ajustada a 500 psi (34,48 bar) y la presión de carga es de 200 psi (13,79 bar). El resorte del distribuidor compensador = 100 psi (6,89 bar). La bomba intenta impulsar los 5 gpm (18,95 L/min) totales a través de la válvula de aguja, lo que provoca un aumento de la presión de entrada en dicha válvula. A 300 psi (21 bar), el distribuidor compensador se desplaza y estrangula el caudal, haciendo que la presión de entrada en el control de caudal aumente hasta el valor de ajuste de la válvula de alivio: 500 psi (34,48 bar). De esos 500 psi (34,48 bar), 200 psi (13,79 bar) se emplean para vencer la carga; 100 psi (6,89 bar) impulsan el caudal a través de la válvula de aguja; los 200 psi restantes (13,79 bar) de los 500 psi se convierten en calor cuando el caudal atraviesa el orificio del distribuidor compensador. El caudal en este punto es de 3 gpm (11,37 L/min) y la velocidad del vástago = 19 pies/min (97,83 mm/s).

Aumento de la presión de carga y del ajuste de la válvula de alivio

Si la presión de carga aumenta a 400 psi (27,58 bar) o la válvula de alivio se reajusta a 600 psi (41,38 bar), sigue existiendo una presión de 100 psi (6,89 bar) que impulsa el caudal a través de la válvula de aguja. Siempre que la válvula de alivio esté ajustada a un valor suficientemente alto para desplazar el émbolo compensador, el caudal de salida hacia el cilindro será constante e igual a 3 gpm (11,37 L/min).

Construcción de la válvula de control de velocidad del tipo derivación

La válvula de control de velocidad del tipo derivación consta de un cuerpo de válvula con puertos de entrada, salida y retorno, una válvula de aguja, un émbolo compensador y un resorte de precarga.

Funcionamiento del tipo derivación

El émbolo compensador de esta válvula abre y cierra un conducto de derivación hacia el retorno al depósito. El émbolo compensador está precargado por un resorte para mantenerlo cerrado (posición inferior). Si el resorte ejerce una fuerza de 100 psi (6,89 bar), la presión de entrada en la válvula de aguja quedará limitada a 100 psi (6,89 bar). En su estado inicial, todo el caudal que atraviesa la válvula se dirige completamente al depósito de aceite. Durante el funcionamiento normal, el émbolo compensador permanece precargado por el resorte en posición cerrada.

La presión de entrada de la válvula de aguja se detecta mediante un conducto de control interno hasta la parte superior del émbolo compensador. Cuando la presión supera la fuerza de precarga del resorte, el émbolo compensador actúa como una válvula de alivio: abre el conducto de derivación, limitando la presión de entrada de la válvula de aguja a 100 psi (6,89 bar). La presión de entrada fija de la válvula de aguja no garantiza un caudal constante; si la presión aguas abajo cambia, también cambia la diferencia de presión en el orificio de la válvula de aguja y, por tanto, el caudal.

Para compensar esto, la presión aguas abajo de la válvula de aguja se dirige mediante un conducto de control a la cámara del resorte de precarga del émbolo compensador. Ahora, el lado A del émbolo compensador está sometido a dos fuerzas de precarga: la fuerza del resorte y la presión del aceite aguas abajo. Si la fuerza del resorte equivale a 100 psi (6,89 bar), la presión de entrada de la válvula de aguja se limitará a 100 psi (6,89 bar) por encima de la presión aguas abajo. Siempre que la válvula de alivio esté ajustada a una presión suficientemente alta, la diferencia de presión en el orificio de la válvula de aguja será de 100 psi (6,89 bar) —constante.

Válvula de control de velocidad del tipo derivación en un circuito

Válvula de control de velocidad del tipo derivación ajustada a 3 gpm (11,37 L/min). Presión de alivio: 500 psi (34,48 bar), carga: 200 psi (13,79 bar), resorte: 100 psi (6,89 bar). La bomba intenta impulsar los 5 gpm (18,95 L/min) completos a través de la válvula de aguja. El émbolo compensador abre el paso de derivación, limitando la presión de entrada de la válvula de aguja a 300 psi (20,68 bar). De estos 300 psi: 200 psi (13,79 bar) vencen la carga y 100 psi (6,89 bar) impulsan 3 gpm (11,37 L/min) a través de la válvula de aguja. Los 2 gpm restantes (7,58 L/min) se derivan a través de la abertura del émbolo compensador de vuelta al depósito.

Figura 9-8: Circuito de control de velocidad del tipo derivación. El émbolo compensador deriva directamente el caudal excedente de la bomba al depósito, en lugar de enviarlo a través de la válvula de alivio. Este diseño es más eficiente energéticamente que el tipo de regulación en entrada, ya que el caudal excedente no circula a la presión total del sistema.

Aumento de la presión de carga y del ajuste de la válvula de alivio

Si la presión de carga aumenta a 400 psi (27,58 bar) o la válvula de alivio se reajusta a 600 psi (41,38 bar), sigue habiendo una presión de 100 psi (6,89 bar) que impulsa el flujo a través de la válvula de aguja. Siempre que la válvula de alivio esté ajustada a una presión suficientemente alta como para abrir la corredera compensadora, el caudal de salida hacia el cilindro es constante e igual a 3 gpm (11,37 L/min).

Efecto de la temperatura sobre el caudal a través del orificio

Como se mencionó al comienzo de este capítulo, los tres factores principales que afectan el caudal a través de un orificio son el tamaño del orificio, la diferencia de presión y la temperatura del aceite. Cuando cambia la temperatura del aceite, también cambia su viscosidad; y cuando cambia la viscosidad del aceite, el caudal a través del orificio también varía. En el caso de orificios fijos o válvulas de aguja, los cambios de caudal inducidos por la temperatura suelen no ser significativos, ya que el tamaño del orificio y la diferencia de presión son, en general, grandes en comparación con los efectos de la viscosidad. Sin embargo, para aplicaciones que requieren un control de caudal muy preciso, deben considerarse los efectos de la temperatura. Tanto las válvulas de control de velocidad tipo entrada (meter-in) como las tipo derivación (bypass) son, en general, adecuadas para aplicaciones hidráulicas industriales típicas.

Para aplicaciones que requieren un control de caudal extremadamente preciso —independientemente de los cambios de temperatura— puede utilizarse una válvula de control de caudal compensada en temperatura. Este tipo también compensa los efectos de la temperatura.

Fórmulas clave — Capítulo 9