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Válvula Rotativa de Compuerta: Guía Técnica

¿Qué es una válvula rotativa, alimentador o válvula estrella?

Diseño, operación y resolución de problemas de válvulas rotativas de compuerta

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Resumen de la sección
1. Introducción
2. Caída Directa / Barrido
3. Holgura de válvula estrella y detección de contacto
4. Válvulas de compuerta resistentes a explosiones e ignífugas
5. Desgasificación de válvulas estrella
6. Consejos para dimensionamiento
7. Resolución de problemas
8. Guía de compra de válvulas rotativas de compuerta - Cómo seleccionar una válvula rotativa de compuerta

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Una válvula rotativa de compuerta es un dispositivo mecánico de transporte que permite controlar el flujo de sólidos a granel (polvos, pellets, gránulos, etc.). Estos alimentadores de compuerta (también llamados alimentadores de válvula rotativa o válvula estrella) se utilizan frecuentemente antes de un sistema de transporte neumático. Conozca todos los detalles sobre válvulas rotativas en esta página web.

Otras páginas de interés: Transportes neumáticos ; Dosificación y alimentadores ; Mezcla y mezcladoras ; Transportadores de tornillo sinfín

1. ¿Qué es una válvula rotativa de compuerta?

Las válvulas rotativas de compuerta se utilizan en interfaces de procesos de manejo de sólidos, típicamente cuando es necesario separar 2 áreas bajo condiciones diferentes (generalmente presión) mientras se permite que el sólido pase de una condición a otra.

Las válvulas rotativas, también conocidas comúnmente como válvulas estrella, se utilizan por lo tanto al inicio y al final de transportes neumáticos. Permiten llevar el sólido desde una zona de baja presión a otra zona de baja presión al inicio de la línea, mientras ayudan a separar el sólido del flujo de aire al final de la línea.

Este tipo de válvulas pueden realizar una dosificación aproximada, por lo que también pueden instalarse como equipos de dosificación, aunque no es una buena práctica.

En comparación con otros equipos de dosificación, los alimentadores rotativos tienen las siguientes ventajas:

Tabla 1: Válvulas rotativas de compuerta vs otros equipos de dosificación

Ventajas	Desventajas
Operación continua Ajuste simple (pero aproximado) del caudal si el motor está en un variador de frecuencia (VFD) Bajos requisitos de espacio Algunos diseños con fácil acceso para limpieza	Pulsación en la alimentación (descarga discreta de los alvéolos) Fugas de aire Corte de partículas/pellets grandes Puede dañarse con productos abrasivos Presión operativa limitada Mantenimiento delicado: requiere personal bien capacitado Puede generar incidentes por cuerpos extraños si no se ensambla correctamente

Existen 2 tipos de válvulas rotativas de compuerta: tipo caída directa (*drop through*) y tipo barrido (*blow through*). Ambos tipos ofrecen básicamente los mismos resultados, sin embargo, la forma en que operan y sus características son ligeramente diferentes.

Los alimentadores de compuerta se utilizan ampliamente en la industria con aplicaciones en las siguientes áreas:

• Industria alimentaria (panadería, lácteos, café, granos)
• Construcción (cementos, asfalto)
• Farmacéutica
• Minería
• Energía (plantas de generación)
• Química / Petroquímica / Polímeros

Los principios de funcionamiento y las especificaciones principales de los alimentadores rotativos se detallan a continuación.

2. ¿Cómo funciona una válvula rotativa? Válvula rotativa de caída directa y válvula rotativa de barrido

Válvula rotativa de compuerta de caída directa (*Drop Through*)

Las válvulas rotativas de compuerta de caída directa "dejan caer" el producto hacia la tubería o equipo inferior. Cuentan con una brida de entrada y una brida de salida.

Figura 1: Vista frontal de una válvula estrella de caída directa

Válvula rotativa de compuerta de barrido (*Blow Through*)

Las válvulas estrella de barrido están conectadas directamente a una línea de transporte. El aire utilizado en la línea de transporte pasa directamente a través de los alvéolos de la válvula, arrastrando el producto.

Típicamente, las válvulas de barrido se utilizan cuando hay una altura muy limitada o cuando el producto tiende a adherirse dentro del rotor. Para otras aplicaciones, el modelo de caída directa es preferido.

Tener el rotor directamente en el flujo de la tubería puede generar mayor rotura del producto transportado, especialmente si varias válvulas de caída directa están en serie en una misma tubería. En este caso, las válvulas de caída directa pueden considerarse para preservar el producto.

Figura 2: Vista frontal y lateral de una válvula estrella de barrido

3. Diseño mecánico de válvulas rotativas de compuerta

3.1 Holgura de la válvula estrella y detección de contacto

Las válvulas estrella suelen tener una holgura muy pequeña entre las paletas del rotor y el estátor, lo cual es necesario para garantizar un sellado de aire entre las áreas aguas arriba y aguas abajo que no están a la misma presión.

La holgura típica para válvulas rotativas de compuerta es de 0,1 mm y generalmente varía entre 0,05 mm y 0,25 mm, dependiendo del servicio esperado para la válvula (alta diferencia de presión entre cada lado de la válvula o no). Esta es una holgura muy pequeña, lo que explica que las válvulas rotativas a menudo sufran rayaduras debido al contacto rotor/estátor. La siguiente tabla resume las causas comunes de contacto.

Tabla 2: Resolución de problemas - Principales causas de rayaduras en válvulas estrella

Principales causas de rayaduras en válvulas rotativas	Cómo evitar
Desmontaje / reensamblaje incorrecto	Capacitación de operadores / mecánicos Uso de diseños con barras de extracción
Cuerpo extraño atrapado entre rotor y estátor	Instalar tamiz y imán en el proceso aguas arriba
Expansión térmica reduciendo el juego (holgura)	Especificación adecuada de la válvula y diseño del proceso (tras enfriador, sensor de temperatura)

Los arañazos pueden tener distintas consecuencias: obstrucción de la válvula, reducción del sellado de aire, generación de cuerpos extraños. Puede ser necesario repulir la válvula tras un arañazo, lo que conlleva un aumento local del juego (holgura) y una reducción de la capacidad de sellado de la válvula.

Cabe destacar que se han desarrollado diseños en los que las palas tienen una punta ajustable atornillada. Si la punta está fabricada en material blando como el nailon, permite el contacto con el estátor sin dañarlo. Sin embargo, está sujeta a desgaste y tiene un rango limitado de aplicaciones.

3.2 Formas de las palas

El diseño de las palas en las válvulas rotativas de esclusa desempeña un papel crucial en su funcionalidad y eficiencia. Las formas de las palas y las tolerancias impactan directamente en el flujo de material, el sellado y el rendimiento general.

Formas de las palas: Adaptación a las características del material

La forma y diseño de las palas en una válvula rotativa se personalizan para adaptarse a las características específicas de los materiales manipulados. Diferentes formas de palas ofrecen ventajas distintas para diversos materiales:

• Palas estándar: Estas palas se utilizan típicamente para granulados o polvos de flujo libre. Su diseño permite una transferencia eficiente del material manteniendo un sellado seguro.
• Palas en forma de cuchara: Las palas con forma de cuchara son ideales para manipular materiales cohesivos o pegajosos. Su diseño ayuda a deshacer terrones y garantiza un flujo de material consistente.
• Palas biseladas: Las palas biseladas se emplean cuando se requiere un dosificado preciso. Permiten una descarga controlada del material, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de dosificación por **lotes**.

3.3 Equilibrio entre formas de palas y tolerancias

Lograr un rendimiento óptimo en las válvulas rotativas de esclusa implica encontrar el equilibrio adecuado entre las formas de las palas y las tolerancias. Considere los siguientes aspectos al seleccionar y ajustar estos parámetros:

• Compatibilidad con el material: Adapte las formas de las palas y las tolerancias a las características específicas de flujo y adhesión del material manipulado.
• Tipo de válvula: Diferentes tipos de válvulas (p. ej., de caída directa o de soplado) pueden requerir ajustes en las formas de las palas y las tolerancias para garantizar un funcionamiento eficiente.
• Requisitos de mantenimiento: La inspección y ajuste regular de las tolerancias puede ser necesario para mantener la integridad del sellado y prevenir el desgaste con el tiempo.
• Consulta con expertos: Solicite orientación a fabricantes de válvulas rotativas o expertos en manejo de sólidos para determinar las formas de palas y tolerancias más adecuadas para su aplicación.

3.4 Opciones de material: Acero inoxidable vs. Acero al carbono

Al seleccionar el material adecuado para sus válvulas rotativas de esclusa, la elección entre acero inoxidable y acero al carbono puede afectar significativamente el rendimiento y la durabilidad del sistema.

El acero inoxidable es reconocido por su durabilidad y propiedades de resistencia a la corrosión. Este material es una excelente opción para válvulas rotativas de esclusa en industrias donde la higiene y la pureza del material son prioritarias, como el procesamiento de alimentos y la industria farmacéutica. Algunas ventajas clave del acero inoxidable incluyen:

• Resistencia a la corrosión: La resistencia del acero inoxidable al óxido y la corrosión garantiza una vida útil más larga, incluso en entornos exigentes.
• Propiedades higiénicas: Es fácil de limpiar y mantener, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren estrictos estándares de limpieza.
• Compatibilidad con el producto: El acero inoxidable es compatible con una amplia gama de materiales, evitando la contaminación y garantizando la integridad del producto.

El acero al carbono, por otro lado, ofrece robustez y eficiencia económica. Se utiliza comúnmente en industrias donde la resistencia a la corrosión no es la principal preocupación. Estas son algunas ventajas del acero al carbono:

• Resistencia: La resistencia y tenacidad del acero al carbono lo hacen adecuado para manipular materiales pesados y soportar condiciones rigurosas.
• Económico: Suele ser una opción más económica en comparación con el acero inoxidable, lo que lo convierte en una elección atractiva para diversas aplicaciones.
• Versatilidad: El acero al carbono puede manipular un amplio espectro de materiales, lo que lo hace adecuado para industrias como la minería y la construcción.

La selección entre acero inoxidable y acero al carbono debe basarse en factores como la compatibilidad con el material, las condiciones ambientales, los requisitos de higiene y las restricciones presupuestarias. Una evaluación cuidadosa de sus necesidades específicas lo guiará hacia la elección de material más adecuada para sus válvulas rotativas de esclusa.

3.5 Sellado mecánico y empaquetaduras

Las válvulas rotativas de esclusa dependen de mecanismos de sellado efectivos para mantener la estanqueidad y prevenir fugas. Dos métodos principales de sellado empleados son: **sellados mecánicos** y **empaquetaduras**.

Los sellados mecánicos ofrecen precisión y confiabilidad en el sellado de válvulas rotativas de esclusa. Estos sellos incorporan componentes mecánicos diseñados para crear una barrera segura entre diferentes zonas de presión. Características y ventajas clave de los sellados mecánicos incluyen:

• Estanqueidad: Los sellados mecánicos proporcionan una excelente estanqueidad, crucial para prevenir fugas de aire y mantener la eficiencia del sistema.
• Durabilidad: Están construidos para resistir el desgaste, asegurando un rendimiento duradero.
• Mantenimiento reducido: Los sellados mecánicos suelen requerir menos mantenimiento en comparación con las empaquetaduras, contribuyendo a menores costos operativos.

Las empaquetaduras, también conocidas como prensestopas o empaquetaduras de cuerda, implican el uso de materiales compresibles, como grafito o PTFE, para crear un sello. Aunque se consideran más tradicionales, siguen siendo efectivas en ciertas aplicaciones. Estos son algunos aspectos clave de las empaquetaduras:

• Adaptabilidad: Las empaquetaduras pueden ajustarse a formas irregulares y son adecuadas para equipos antiguos o personalizados.
• Eficiencia económica: Suelen ser más económicas inicialmente, lo que las hace atractivas para proyectos con restricciones presupuestarias.
• Mantenimiento regular: Las empaquetaduras pueden requerir un mantenimiento y ajuste más frecuentes para conservar su efectividad de sellado.

La elección entre sellados mecánicos y empaquetaduras depende de factores como las condiciones de operación, preferencias de mantenimiento y requisitos de sellado. Los sellados mecánicos destacan en escenarios de alto rendimiento y bajo mantenimiento, mientras que las empaquetaduras pueden ser adecuadas para aplicaciones y presupuestos específicos.

4. Protección contra explosiones

Una válvula rotativa de esclusa puede utilizarse como elemento de aislamiento para evitar la propagación de explosiones de polvo en una **instalación**. Para ello, la válvula debe estar certificada como resistente a la onda expansiva de una explosión y ser **antideflagrante**.

Para obtener estas características, la válvula debe diseñarse de manera que:

• El cuerpo y el rotor puedan soportar la presión de una explosión - típicamente 10 bar(g)

• El juego (holgura) entre las puntas de las palas y la carcasa debe ser menor a 0,2 mm

• Al menos 2 palas en cada lado de la válvula deben estar en contacto con la carcasa (lo que implica que el número total de palas debe ser ≥ 8

Es fundamental monitorear el juego (holgura) regularmente, ya que el desgaste de la válvula puede hacer que este supere los 0,2 mm, afectando las propiedades **antideflagrantes** de la válvula.

5. Desgasificación de válvulas rotativas

Un juego (holgura) reducido permite un buen sellado y disminuye las fugas en la válvula rotativa de esclusa. Sin embargo, incluso con holguras mínimas, se producirán fugas. Además, el aire atrapado en cada bolsillo se liberará al abrirse hacia la zona de baja presión, lo que genera fugas de aire.

Las fugas de aire aumentan con la diferencia de presión y con la velocidad de rotación de la válvula. Esto puede ser muy perjudicial para su rendimiento, especialmente con polvos ligeros, ya que el aire liberado fluidizará el polvo e impedirá que llene el bolsillo.

Este fenómeno se observa en las curvas de rendimiento de las válvulas rotativas: la capacidad alcanza un valor asintótico e incluso disminuye a altas velocidades, ya que los bolsillos no logran llenarse debido a que el producto, demasiado fluidizado, no tiene tiempo para caer en ellos.

Para controlar este fenómeno y mejorar el rendimiento de la válvula, debe implementarse una ventilación adecuada. Un canal de **desgasificación** se monta en el lado donde los bolsillos ascienden, con el fin de vaciarlos de aire antes de que recojan nuevo producto. El canal dirige el aire hacia un filtro para su liberación controlada.

Figura 2: Válvula de estrella equipada con tolva de desgasificación alimentando un transportador neumático

6. Cálculos de diseño de válvulas rotativas de esclusa (dimensionamiento)

El cálculo de capacidad de una válvula de estrella para alcanzar un caudal determinado es función del diámetro de la válvula, su velocidad de rotación objetivo y la naturaleza del producto

• Cuanto mayor sea el diámetro de la válvula de estrella, mayor será su capacidad
• Una velocidad de rotación más alta generalmente implica un mayor caudal, pero este deja de aumentar más allá de cierta velocidad
• Cuanto más fluido sea el polvo, mayor será el caudal; no obstante, productos demasiado ligeros limitarán la capacidad a cierta velocidad de rotación

El caudal puede estimarse a partir de ábacos del proveedor, pero el conocimiento detallado del producto será una entrada clave.

Figura 3: Gráfico típico de capacidad de una válvula rotativa de esclusa

Aviso importante : el caudal de una válvula rotativa de esclusa no es lineal. Deja de aumentar o incluso puede disminuir más allá de cierta velocidad. Esto se debe a múltiples causas, principalmente a la reducción del tiempo para que los bolsillos se llenen y vacíen. Con polvos ligeros, la desgasificación de los bolsillos al regresar al lado de baja presión impedirá que el polvo fluya hacia ellos; este fenómeno se agrava con la caída de presión a través de la válvula y puede mitigarse mediante un sistema de ventilación adecuado. Para materiales cohesivos, resultará difícil tanto la entrada como la salida del material en la zona de descarga.

Cálculo de diseño de válvulas rotativas de esclusa

Ecuación 1 : Cálculo de capacidad de válvula rotativa de esclusa

Donde:
m = capacidad en kg/h
V_bolsillo = volumen de un bolsillo en litros
n_bolsillos = número de bolsillos
N = velocidad de rotación en rpm
ρ = densidad aparente del polvo en kg/l
η = tasa de llenado (a calcular a partir de ábacos del proveedor)

7. Problemas comunes en válvulas rotativas de esclusa

Diversos problemas pueden afectar a una válvula de estrella durante su operación. Los problemas comunes incluyen los siguientes:

• Rendimiento por debajo del diseño (caudal inferior al esperado)
• Daño por contacto metal / metal
• Desgaste

Para cada uno de estos problemas, se indican a continuación las posibles causas raíz y las acciones correctivas correspondientes.

Tabla 3: Resolución de problemas – Principales problemas operativos en válvulas rotativas de esclusa

Observación	Posible causa raíz	Posible acción correctiva
Rendimiento por debajo del diseño	Los alvéolos no se llenan completamente El producto tiene una mala fluidez y la tolva sobre la válvula de estrella no está diseñada correctamente. El producto se bloquea antes de alcanzar la válvula.	Esto podría solucionarse mediante el uso de ayudas de descarga en la tolva.
Rendimiento por debajo del diseño	Los alvéolos no se llenan completamente En el caso de una válvula utilizada para alimentar una línea de transporte neumático a presión, la fuga de aire está fluidizando el producto en la entrada de la válvula de estrella, impidiendo que llene sus alvéolos. Esto puede deberse a: - Una válvula mal especificada (holgura excesiva, número insuficiente de álabes o desgaste que supera las tolerancias de diseño). - Un desgasificado inadecuado de los alvéolos vacíos antes de que alcancen la tolva para recoger polvo nuevamente. Otra posibilidad es la presión del sello de aire: si está ajustada demasiado alta, el aire que escapa puede oponerse al flujo.	Verificar la especificación de la válvula en relación con la caída de presión que debe superar. Revisar el desgasificado de la válvula y de la tolva superior (si existe). Verificar la presión del aire comprimido de sellado. Nota: Las válvulas rotativas de esclusa pueden diseñarse con 6-8-10 álabes. Cuanto mayor sea el número de álabes, más estanca será la válvula. Sin embargo, un número elevado de álabes también reducirá la capacidad volumétrica: debe encontrarse un equilibrio entre estanqueidad y capacidad de los alvéolos.
Rendimiento por debajo del diseño	Los alvéolos no se vacían correctamente Una mala descarga de los alvéolos está relacionada con la fluidez del polvo. Si el polvo es muy cohesivo, puede permanecer en los alvéolos de la válvula rotativa de esclusa, reduciendo el volumen disponible para nuevo producto en cada rotación.	Existen diseños de rotor con el fondo de los alvéolos plano, evitando la acumulación de polvo y facilitando su caída.
Daño por contacto metal / metal	El "rayado" de una válvula de estrella corresponde a un contacto puntual metal/metal que provocará daños en el rotor y el estátor. Tras este incidente, la válvula puede bloquearse, impidiendo su uso. Durante el incidente, pueden liberarse virutas metálicas al flujo de producto, lo cual puede ser problemático en ciertas aplicaciones.	Para prevenir estos daños, es necesario: - Asegurarse de que ningún cuerpo extraño alcance la válvula (usar tamices y imanes antes de la válvula). - Verificar que la válvula esté correctamente especificada, especialmente en cuanto a la temperatura de operación, ya que temperaturas elevadas pueden causar expansión metálica y llevar al contacto entre componentes. - Capacitar al personal en el mantenimiento de la válvula, ya que la mayoría de los daños en equipos están relacionados con rotres mal recolocados tras el mantenimiento. - Utilizar sistemas de detección de contacto rotor/estátor. En caso de daño, es necesario rectificar la válvula o reemplazarla por completo si las holguras son demasiado grandes tras el mecanizado.
Desgaste [IAC]	El desgaste en válvulas rotativas corresponde a daños a medio/largo plazo. Dos fenómenos principales pueden causar abrasión en válvulas rotativas: - Atrapamiento de material entre la punta de un álabe y la carcasa durante la rotación. - Fugas de aire que transportan partículas de producto a alta velocidad, erosionando la válvula. Es posible estimar qué fenómeno está dañando una válvula en particular: - Si la carcasa está dañada en el lado cargado (alvéolos llenos de producto), el primer fenómeno puede ser la causa. - Si el daño está en el lado opuesto (alvéolos vacíos), el segundo fenómeno puede ser la causa.	Las siguientes acciones pueden tomarse para prevenir el desgaste en válvulas rotativas de esclusa: - Seleccionar la holgura adecuada para reducir la probabilidad de atrapamiento de producto entre rotor y estátor. También reduce las fugas de aire responsables de la erosión. - Utilizar álabes con chaflán en las puntas para reducir la superficie de contacto potencial con el producto atrapado durante la rotación. - Usar un rotor cerrado (los laterales del rotor están cerrados, lo que limita las fugas y evita la fricción, aunque no todas las aplicaciones lo permiten).

8. Guía de compra de válvulas rotativas de esclusa – Cómo seleccionar una válvula rotativa de esclusa

Válvulas rotativas de esclusa en venta: Adquisición de una nueva válvula rotativa de esclusa

Al seleccionar una nueva válvula rotativa de esclusa para su instalación, deben plantearse las siguientes preguntas para adquirir las especificaciones correctas:

• ¿El diseño de la válvula rotativa de esclusa es más adecuado como "de soplado" (blow through) o "de caída" (drop through)?
• ¿Necesita un material especial (por ejemplo, acero inoxidable) o es suficiente una ejecución estándar?
• ¿Cuál es el caudal requerido y cuál es la densidad aparente del material a procesar? Esto determinará el diámetro de la válvula.
• ¿Está la válvula sometida a calor? ¿Necesita holguras específicas entre rotor y estátor?
• ¿Alimenta la válvula a una línea de transporte neumático a presión? ¿Requiere desgasificado?
• ¿Se requiere acceso frecuente para limpieza en el interior de la válvula?
• ¿El polvo es de flujo libre o se requieren álabes y diseño de alvéolos específicos?
• ¿Necesita la válvula rotativa de esclusa certificación para operar en zonas con riesgo de explosión de polvo? En caso afirmativo, ¿qué clasificación de zona debe considerarse en y alrededor de la válvula?
• ¿Debe la válvula ser resistente a explosiones (típicamente 10 bar)?

Responder estas preguntas con antelación permitirá especificar rápidamente la válvula necesaria y entablar una discusión constructiva con un proveedor de válvulas rotativas de esclusa.

A continuación, se indican algunas referencias de fabricantes de válvulas rotativas de esclusa:

• Sautelma Rotolok
• Young Massa
• Olocco

Nota: PowderProcess.net no tiene relación con estas empresas.

Fuentes
[IAC]: Todo lo que necesita saber sobre válvulas rotativas de esclusa, Bob Mace, IAC