La importancia de minimizar las fugas de aire en las válvulas rotativas

Matt Burt, director de ventas, componentes, y Ron Van Ostenbridge, gerente junior de desarrollo comercial, componentes, Coperion K-Tron | 22 de noviembre de 2021

Una válvula rotativa es un dispositivo para medir el producto o actuar como un dispositivo de separación de material en tolvas, diferencial de presión de separación o dispositivo de aislamiento para NFPA 69 (el estándar actual sobre sistemas de prevención de explosiones). Las válvulas rotativas se conocen por una variedad de nombres, como esclusas de aire, válvulas de estrella, alimentadores rotativos y esclusas de aire rotativas. La Figura 1 muestra una sección transversal de una válvula rotativa.

Todas las válvulas rotativas tienen fugas de aire, y esta fuga de aire debe gestionarse. Hay tres tipos de fugas que deben tenerse en cuenta. La fuga radial es el aire que se filtra entre las puntas de las palas del rotor y la carcasa. La fuga axial es la fuga entre los bordes de las palas del rotor y las placas de los extremos. La fuga de arrastre es el gas que se transfiere a través de la cavidad vacía del rotor hasta la entrada de la válvula. La fuga de gas en la entrada de la válvula puede afectar el flujo de material hacia la válvula.

Comprender las características del material a granel que se alimenta es importante para configurar la válvula rotativa correcta para cualquier aplicación determinada.

Si el material es pegajoso o adhesivo, puede compactarse bajo presión y no fluir libremente hacia la válvula. El tamaño y la forma de las partículas afectarán qué tan bien fluye el material hacia los bolsillos de la válvula y, por lo tanto, la eficiencia de la válvula. Hay materiales que se entrelazan o aglomeran, lo que disminuirá la eficiencia de llenado de bolsas; esto debe tenerse en cuenta al dimensionar su válvula.

¿Qué tan abrasivo es el material a granel en las partes internas de la válvula rotativa? Los materiales abrasivos desgastarán el rotor, la carcasa y las placas de los extremos. Los espacios resultantes harán posible la fuga de aire adicional a través de la válvula. Diseñar su válvula para combatir el desgaste puede requerir recubrimientos especiales como cromo, carburo de tungsteno y cerámica.

Si el material que se alimenta es corrosivo, deberá considerar el material de construcción de la válvula. Por lo general, las válvulas están hechas de aluminio, acero al carbono o acero inoxidable. Elegir el material de construcción correcto es crítico con materiales a granel corrosivos. Otra consideración es la posibilidad de que los vapores del proceso causen corrosión. Es probable que esto tenga más impacto en los sellos que en la válvula misma.

Tanto la temperatura del ambiente como la temperatura del material deben tenerse en cuenta al configurar una válvula rotativa. Si el material está caliente, preste mucha atención a los espacios libres para evitar el contacto entre el rotor y la carcasa debido a la expansión térmica. La temperatura también puede afectar el tipo de sellos.

¿Los materiales de construcción de la válvula rotativa o los sellos podrían reaccionar con el material? Por ejemplo, algunos compuestos de PVC pueden decolorarse si se usa aluminio en el equipo de proceso, como tuberías o carcasas/rotores de válvulas rotativas. El gas de transporte suele ser aire ambiente o gas inerte, por ejemplo, N2. Es importante que los sellos se alimenten con aire limpio y seco de la planta. De lo contrario, la posibilidad de introducir humedad, suciedad o aceite en los sellos de las válvulas puede dañar o reducir su eficacia.

Si el material se degrada fácilmente, el desgaste que ejerce sobre él la válvula rotativa podría hacer que el producto no cumpla con las especificaciones para el productor o el usuario final. Típicamente, esta degradación es causada por el cizallamiento o manchado del material.

Si el material es duro y difícil de cortar, esto puede causar cargas severas en el eje del rotor o en el conjunto impulsor. Por lo general, esto se puede remediar mediante el uso de una unidad de servicio más pesado. Sin embargo, se debe tener cuidado ya que al agregar una unidad de servicio más pesado al rotor, podemos correr el riesgo de torcer el eje del rotor. Es importante seleccionar una válvula con un eje de rotor que pueda manejar la carga de torsión. Además, la dureza de Mohs es el primer criterio para seleccionar la protección contra el desgaste, junto con el diferencial de presión.

Es necesario considerar la densidad aparente del material y cómo se ve afectado por el diferencial de presión a través de la válvula. Por ejemplo, los materiales que se fluidifican fácilmente (por lo general, los polvos) pueden requerir una válvula de gran tamaño para compensar la pérdida de eficiencia de llenado de cavidades cuando se alimentan a un sistema de presión.

Figura 2: Configuraciones de rotor de 6, 8 y 10 álabes

Todas las válvulas tienen espacios libres establecidos entre las palas del rotor y la carcasa y/o las placas de los extremos. El espacio libre varía según factores como el tamaño, la temperatura, el material y el servicio. Por lo general, cuanto más grande es la válvula, más espacio libre, lo que equivale a más volumen de gas de fuga.

La temperatura de funcionamiento adecuada es uno de los parámetros más pasados ​​por alto. Si la válvula está diseñada para una temperatura más alta y funciona a una temperatura más baja, las holguras serán mucho mayores de lo necesario. Según las propiedades del material, existe la posibilidad de que el propio material bloquee hasta la mitad del espacio libre, lo que reduciría las fugas de gas.

Independientemente del tamaño de la válvula, la cantidad de álabes en el rotor afecta la fuga de gas de la válvula. La ilustración de la Figura 2 muestra varias configuraciones de rotor. A la izquierda hay un rotor de seis palas. Con el número mínimo de álabes hay al menos dos álabes sellando con la carcasa en un momento dado y el máximo serían cuatro. Esto significa que el aire solo necesita saltar uno o dos obstáculos a cada lado para escapar desde la parte inferior hasta la parte superior de la válvula. La ilustración del medio es un rotor de ocho álabes con un mínimo de cuatro álabes sellados. El gas tiene dos o tres obstáculos para saltar a cada lado para pasar por la válvula. La ilustración de la derecha es un rotor de 10 palas, y hay un mínimo de seis palas selladas en cualquier momento, lo que significa que hay tres o cuatro obstáculos para saltar en cada lado.

Insertar Figura 3: Gráficos de rotor de ocho y diez palas

Mirando la Figura 3, podemos apreciar la fuga de gas a través de la válvula a un diferencial de presión dado. A partir de los gráficos, podemos comparar diferentes tamaños de válvulas y comparar un rotor de ocho palas con uno de 10 palas. Es fácil ver que a un diferencial de presión más alto, una válvula más grande con menos álabes da como resultado una mayor fuga de gas.

Por ejemplo:

* 10 pulgadas. rotor

o Rotor de 8 palas - 24 [email protected] psi o 45 [email protected] psi

o Rotor de 10 palas - 17 cfm a 5 psi o 33 [email protected] psi

* Ocho pulgadas. rotor

o Rotor de ocho palas - 18 [email protected] psi o 34 [email protected] psi

o Rotor de 10 palas - 14 [email protected] psi o 26 [email protected] psi

Figura 4: Válvula rotativa sin purga de gas de fuga

En un sistema de transporte neumático, presión o vacío, esta fuga debe tenerse en cuenta al calcular el tamaño adecuado del sistema. Si hay más de dos válvulas rotativas alimentando una línea, se recomienda una compuerta de cierre arriba para detener la fuga cuando no esté funcionando.

Insertar Figura 5: Ventilación incorporada para liberar el gas de fuga

Insertar Figura 6: Válvula rotativa con colector de gas de fuga

Hay algunas formas de mitigar la fuga de gas en la válvula rotativa, además de la optimización del material y el diseño. La figura 4 muestra una aplicación típica de gránulos en la que el aire sale a través de los gránulos y tiene poco efecto en la operación. La figura 5 muestra un ejemplo de ventilación integrada en la carcasa de la válvula rotativa para gránulos y materiales granulares. Esto reduce la altura total de acumulación en comparación con un colector de gas de fuga. La figura 6 muestra un colector de gas de fuga que ventila el gas y reduce su impacto en la velocidad de la válvula. Por último, se pueden apilar dos válvulas una encima de la otra. Esto reduciría la fuga aproximadamente a la mitad. Es la opción más costosa y también tiene el mayor impacto en la altura de apilamiento. La válvula rotatoria inferior tendría que funcionar un poco más rápido que la superior para garantizar que el material no retroceda.

La fuga de aire en una válvula rotativa es inevitable. Las holguras establecidas se incluyen en el diseño, pero si la fuga de aire no se mantiene y excede las recomendaciones del fabricante, se producirán problemas de funcionamiento y, muy probablemente, la válvula finalmente fallará. Es importante que los procesadores entiendan qué puede influir en el potencial de fuga de aire, como las propiedades del material, el tamaño de la válvula, la calidad del gas de la planta, los factores ambientales e incluso el material de construcción de la válvula. Consulte con su fabricante de válvulas o proveedor de sistemas para determinar las mejores prácticas para minimizar las fugas de aire de su válvula rotativa, ya sea que esté diseñando una nueva aplicación o mejorando una aplicación existente.

Matt Burt es director de ventas de componentes y Ron Van Ostenbridge es gerente junior de desarrollo comercial de componentes de Coperion K-Tron. Coperion es un líder tecnológico y de mercado internacional en sistemas de extrusión y compuestos, tecnología de alimentación y pesaje, sistemas de manejo de materiales a granel y servicios. Coperion diseña, desarrolla, fabrica y mantiene sistemas, máquinas y componentes para las industrias del plástico, química, farmacéutica, alimentaria y de minerales. Para obtener más información, visite www.coperion.com o envíe un correo electrónico [email protected]

Más información sobre formatos de texto

Consulte el directorio del maestro de la industria de polvos y sólidos a granel.