Cuando un procesador de lácteos en Wisconsin mejoró su pasteurizador para aumentar el rendimiento en un 40%, el equipo de ingeniería se centró en las bombas, los intercambiadores de calor y el sistema de control. Pero seis meses después, el cuello de botella no era ninguno de ellos. Era una válvula de 3 vías en la línea de desviación que alternaba entre el suministro de llenado y la línea de retorno cada noventa segundos. Con aproximadamente 350.000 ciclos al año, era solo cuestión de tiempo antes de que el sello del vástago se agrietara, el asiento experimentara un daño prematuro y el actuador, que había sido diseñado para un ciclo moderado, mostrara signos tempranos de desgaste. La elección de emparejar esa válvula basándose puramente en el flujo y el material obligó a los usuarios a sufrir a expensas del componente de diseño mecánico de la válvula.
Por lo tanto, la solución fue reemplazarla por un producto diseñado para aplicaciones de alto ciclo, en particular una válvula de diafragma que cuenta con un vástago neumático y un posicionador capaz de soportar millones de ciclos y que puede restaurar el rendimiento esperado de la línea. Por lo tanto, la cuestión de qué válvula de 3 vías de alto ciclo es la mejor para la industria alimentaria y de bebidas no es tan simple como parece. Más bien, se trata de qué diseño, actuador y elección de material pueden soportar cientos de miles de ciclos termomecánicos al tiempo que proporcionan una higiene satisfactoria de la superficie de la máquina. El propósito de esta guía es responder a esa pregunta para tres tipos de válvulas utilizadas en operaciones sanitarias de 3 vías: una válvula de diafragma, una válvula de bola y una válvula de mariposa.
Resumen: Cuando se trata de uso alimentario y de bebidas, la mejor válvula de tres vías con alto ciclo es una válvula de diafragma neumática, una válvula de diafragma con cuerpo tipo vertedero junto con un diafragma de PTFE o EPDM y un actuador de piñón y cremallera o pistón que tenga un tamaño apropiado para la velocidad del ciclo, que tenga un posicionador, para que ayude a controlar la válvula con precisión. Las válvulas de diafragma son la mejor opción en términos de servicio limpio de alto ciclo, ya que este tipo de válvula no permite que el medio entre en contacto con el actuador. Por lo tanto, las válvulas de diafragma no tienen un punto de falla en el sellado del vástago como las válvulas de bola y mariposa.
Qué hace una válvula de 3 vías en un sistema de alimentos y bebidas
Una válvula de tres vías consta de tres puertos, generalmente una entrada y dos salidas, o dos entradas y una salida, y se utiliza para desviar, mezclar o seleccionar entre dos canales de flujo. El uso principal de las válvulas de tres vías en la industria alimentaria y de bebidas es el desvío de productos. Cuando el llenador se detiene, el pasteurizador alcanza su temperatura de mantenimiento o comienza el ciclo de limpieza en el lugar (CIP), la válvula redirige el flujo del producto lejos de la tubería del proceso principal hacia una línea de recirculación, un drenaje o un tanque de recuperación. La válvula de tres vías funciona cada vez que hay una parada o una reapertura en la línea de producción, cada vez que hay un cambio de producto en la línea de operación y cada vez que se inicia una operación CIP que implica limpieza. En una línea de llenado rápido de productos, la válvula de tres vías puede funcionar miles de veces en un solo día. La válvula de tres vías debe cerrar herméticamente tanto contra la presión del proceso como contra la presión CIP, debe abrir y cerrar lo suficientemente rápido para evitar fallas de operación o sobretensiones de presión, y debe estar completamente vacía para que no queden productos o soluciones de limpieza dentro de la válvula durante toda su vida útil.
Las Normas Sanitarias 3-A definen los requisitos de diseño y materiales que debe cumplir una válvula para ser utilizada en el procesamiento de lácteos y alimentos, y una válvula con certificación 3-A ha sido verificada de forma independiente para cumplir con dichas normas.
Los tres tipos de válvulas de 3 vías que compiten en servicio higiénico de alto ciclo
Tres tipos de válvulas se utilizan comúnmente en el servicio de desvío higiénico de 3 vías, y cada una tiene un perfil distinto de vida útil, capacidad de limpieza, carga de mantenimiento y costo. La tabla siguiente proporciona una comparación directa, y las secciones que siguen explican las compensaciones en detalle.
| Tipo de válvula | Vida útil (típica, con actuador de alto ciclo) | Capacidad de limpieza | Carga de mantenimiento | Costo relativo |
|---|---|---|---|---|
| Válvula de diafragma (tipo vertedero, 3 vías) | 1.000.000–5.000.000+ ciclos antes del reemplazo del diafragma | Excelente — completamente drenable, sin grietas, se puede limpiar con CIP/SIP | Baja — el reemplazo del diafragma es un elemento de mantenimiento programado, que generalmente tarda de 15 a 30 minutos | $$$ – Mayor costo inicial; menor costo de por vida en servicio de alto ciclo |
| Válvula de bola (3 piezas, 3 vías) | 100.000–500.000 ciclos antes del reemplazo del asiento y el sello del vástago | Buena — el diseño de 3 piezas permite un desmontaje completo para la limpieza, pero la cavidad detrás de la bola no es completamente barrida por el flujo CIP | Moderada — el reemplazo del asiento y el sello del vástago requiere desmontaje; un técnico calificado puede reconstruir una válvula de bola de 3 piezas en 30 a 60 minutos | $$ – Menor costo inicial que una válvula de diafragma de tamaño equivalente |
| Válvula de mariposa (sanitaria de 3 vías) | 50.000–200.000 ciclos antes del reemplazo del asiento y el sello del vástago | Regular — el disco y el eje crean grietas internas; menos drenable que una válvula de diafragma | Mayor — el asiento es un revestimiento adherido que no se puede reemplazar en el sitio en muchos modelos; es posible que sea necesario devolver o reemplazar toda la válvula | $ – Menor costo inicial de los tres tipos |
La válvula de diafragma: el estándar de oro de alto ciclo
En un proceso higiénico que requiere una operación de tres vías de alto ciclo, la válvula de diafragma sirve como punto de comparación. Esto se debe al diafragma, que es un material flexible hecho de EPDM, PTFE o un híbrido de PTFE/EPDM, que sella el vertedero o el asiento del cuerpo de la válvula y aísla el actuador del fluido del proceso que pasa a través de la válvula. No hay un vástago que pase a través de un sello dinámico, y no hay un paquete que tienda a deteriorarse ni una vía de fuga que conecte el proceso con la atmósfera. El
actuador transmite movimiento al diafragma; en consecuencia, el diafragma mueve el fluido. Cuando el diafragma necesita ser reparado, que es la única parte de la válvula que se desgasta, la válvula de diafragma reanuda su función de sellado como antes, y la razón radica en el hecho de que el diafragma experimentó toda la tensión mecánica y química. Una válvula de diafragma bien diseñada con un actuador neumático y perfectamente adaptada a la presión de la tubería y la frecuencia de uso, puede funcionar durante millones de ciclos antes de que el diafragma necesite servicio por primera vez. El costo del diafragma oscila entre $30 y $150 según las dimensiones y el material, y la reinstalación del diafragma requerirá de 15 a 30 minutos, según el técnico que lo haga. Esto define una válvula de alto ciclo, que es una unidad económica de reemplazar, lo que permite el mantenimiento programado y la restauración de su capacidad original.
La válvula de diafragma de 3 vías se presenta en dos formas: una es una configuración de cuerpo en T, con tres puertos en un patrón en forma de T que permite que el diafragma selle contra un par de asientos para redirigir el flujo a cualquiera de los dos puertos de salida; la otra es un diseño de montaje en colector que combina varias válvulas en un colector para lograr una operación de 3 vías, al tiempo que permite el reemplazo de diafragmas individuales. Ambos diseños permiten un drenaje y limpieza completos a través de métodos de limpieza internos y externos y están hechos de acero inoxidable de grado 316L con superficies pulidas. Una válvula de diafragma de 3 vías para una línea sanitaria de 1.5 pulgadas tiene un rango de precio de $800 a $2000 y el rango de costo depende de la marca, el material del diafragma y las especificaciones del actuador.
Entre los principales fabricantes se incluyen GEMÜ, Alfa Laval, y Eagle Fittings, cuya gama de válvulas de diafragma sanitarias incluye configuraciones de 3 vías con las opciones de actuador y el soporte de piezas de repuesto que requiere una línea de producción de alto ciclo.
La válvula de bola: una alternativa rentable con una curva de mantenimiento conocida
La válvula de bola sanitaria de 3 vías, generalmente una válvula de bola de 3 piezas, tipo Tri-Clamp con diseño de puerto en L o en T, es común en los sistemas de alimentos y bebidas para aplicaciones de desvío y selección. Sus ventajas incluyen un precio inicial más bajo que una válvula de diafragma, facilidad de operación (se puede automatizar con un actuador neumático de piñón y cremallera) y trayectoria de flujo de paso total cuando está en posición abierta, lo que significa que casi no se produce caída de presión. Para aplicaciones de ciclo moderado, como una válvula de desvío que cicla unos pocos cientos de veces al día, una buena válvula de bola de 3 vías con sello de vástago de PTFE reforzado y actuador de alto ciclo puede funcionar durante muchos años. El único inconveniente es la limitación del sello y el asiento.
Un sello de vástago es un sello dinámico, lo que significa que es hermético contra el vástago giratorio, pero con cada ciclo se debilita. A pesar de que puede pasar por cientos de miles de ciclos, un sello eventualmente tendrá fugas, y lo que es peor, los asientos, los anillos de PTFE y PTFE reforzado que sellan la bola contra el cuerpo también se desgastarán y perderán su capacidad de sellado. En caso de alcanzar el límite de ciclos, la válvula de bola debe retirarse de la tubería, desmontarse y volver a montarse con un asiento y sellos nuevos. El proceso lleva a ingenieros calificados media hora como máximo y requiere el cierre de la línea y la extracción de la válvula. El kit de reconstrucción cuesta entre $20 y $80. En caso de una aplicación cíclica alta, las válvulas de bola de 3 vías requerirán un mantenimiento considerablemente más frecuente que el mantenimiento de la válvula de diafragma, lo que definitivamente influirá en los costos totales.
La colección de válvulas de bola sanitarias de Eagle Fittings incluye configuraciones de 3 vías con paquetes de actuador de alto ciclo, y nuestro programa de piezas de repuesto garantiza que los kits de sellado estén disponibles con poca antelación.
Tasa de ciclo y vida útil esperada. Para encontrar la cantidad aproximada de ciclos realizados cada día, mes y año, multiplique por la vida útil esperada de la unidad. Compare el número resultante con las especificaciones de vida útil esperada de la válvula y el actuador. Si el total de ciclos esperados supera la vida útil nominal del fabricante para la válvula, se debe realizar alguna forma de mantenimiento periódico y tenerla en cuenta en los costos totales de propiedad del equipo.
Capacidad de limpieza y drenabilidad. La válvula debe poder drenarse completamente en la posición en la que está montada, y también su forma debe limpiarse completamente con la solución CIP. Cualquier válvula que retenga sus productos y/o agente de limpieza tiene el potencial de contaminar el producto producido, independientemente de su vida útil. Las válvulas de diafragma son las más drenables entre los tres tipos de válvulas; las válvulas de bola de 3 piezas ocupan el siguiente lugar en la lista. Las válvulas de mariposa, que contienen disco y eje, son más complejas en términos de drenaje y limpieza debido a la existencia de áreas internas de cola.
Especificación del actuador. El actuador, que es un actuador eléctrico o neumático normal para la válvula, debe ser clasificado en función de sus ciclos, la presión a la que trabaja y las condiciones a las que está expuesto. Un actuador promedio funcionará bien en una válvula que cicla cada hora, mientras que no funcionará en absoluto en una que cicla cada noventa segundos. De esta manera, se debe elegir un actuador de alto ciclo con un posicionador para controlarlo mejor y asegurar que su clasificación de vida útil del ciclo no sea inferior a la esperada para la válvula en funcionamiento. En aplicaciones de alto ciclo, el actuador suele ser la primera pieza en fallar, y cuando lo hace, tiene el mismo efecto en la válvula que un diafragma defectuoso o un asiento desgastado.
Recambios y facilidad de mantenimiento. Al comprar una válvula, asegúrese de que el fabricante suministre los recambios de cualquier tipo de válvula que esté comprando. Si se trata de una válvula de diafragma, compruebe si el fabricante dispone de recambios como diafragmas, kits de sellado y piezas de reconstrucción del actuador. Una válvula que tarda tres semanas en fabricar una nueva no puede seleccionarse como opción para lugares críticos y ciclos de desvío elevados.
Costo, incluido el costo del tiempo de inactividad. El precio pagado por la válvula es una cifra irrelevante. Lo que importa es el precio asociado con la mano de obra, los repuestos y, lo más importante, el tiempo de inactividad. El modelo de válvula de diafragma que cuesta $1,500 y necesita el reemplazo del diafragma cada dos años por $100, realizado durante los turnos CIP programados, resulta mucho más barato durante diez años que una válvula de bola de $600 que necesita ser reconstruida dos veces al año, con cada una interrumpiendo la línea de producción durante una hora. El costo total es el indicador relevante; se calcula sobre la vida útil completa de la válvula, no para el primer año de su operación.
La válvula de mariposa: bajo costo, pero no diseñada para las tasas de ciclo más altas
Para servicios de desvío, una válvula de mariposa sanitaria de 3 vías representa la solución más rentable y es muy preferida en tuberías grandes (3 pulgadas y más), donde una válvula de diafragma de dimensiones correspondientes tendría costos prohibitivos. El disco de la válvula de mariposa gira 90 grados para alterar la dirección del flujo entre dos puertos de descarga, mientras que el asiento (que generalmente está hecho de EPDM, Viton o PTFE) asegura que no se produzcan fugas. Proporciona varios beneficios, incluido el bajo costo inicial, la compacidad y la capacidad de alto flujo con menor caída de presión.
Sin embargo, su desventaja radica en el asiento, que está conectado al cuerpo y lo reemplaza una vez que se desgasta. En situaciones de alta demanda, esto deja a las válvulas de mariposa con el nivel más bajo de mantenimiento entre los tres tipos de válvulas. Opera entre 50,000 y 200,000 ciclos antes de que se produzca una fuga en el asiento y el deterioro del sello del vástago. Para una válvula de desvío utilizada unas pocas docenas de veces al día, una válvula de mariposa puede durar muchos años. En el caso de válvulas utilizadas cientos de veces al día, debido a los costos de mantenimiento y reparación, las válvulas de mariposa son menos beneficiosas que las válvulas de diafragma y las válvulas de bola. Eagle Fittings fabrica válvulas de mariposa sanitarias en combinaciones de 3 vías para diversas necesidades.
Cómo seleccionar y especificar una válvula de 3 vías de alto ciclo para su proceso
Elegir la válvula de tres vías adecuada que pueda soportar ciclos altos para un sistema de alimentos o bebidas implica hacer coincidir el tipo y la construcción de la válvula con el actuador apropiado, así como con el material, teniendo en cuenta las diversas condiciones hidráulicas, térmicas y de limpieza del sistema. Los siguientes puntos describen un proceso estructurado para la toma de decisiones. Para una visión completa de la gama de válvulas higiénicas disponibles y cómo se integran en un sistema de procesamiento seguro para alimentos, nuestro artículo sobre qué es un accesorio sanitario proporciona el contexto fundamental.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre una válvula de bola de 3 vías con puerto en T y una con puerto en L?
Una válvula de bola de tres vías con puerto en T consta de una bola con un orificio en forma de T que le permite conectar los tres puertos al mismo tiempo. Esta característica hace posible que la válvula de bola mezcle dos fluidos entrantes; divida un flujo de fluido entrante en dos flujos de salida; y desvíe el flujo de los puertos de salida entre sí. Una forma de puerto en L de una válvula de bola de tres vías tiene una válvula con una bola que crea un orificio en forma de L que conecta solo uno de los puertos de entrada al puerto común, por lo que se clasifica como una válvula de desviación. Al mismo tiempo, es importante enfatizar que el puerto en L no tiene la posibilidad de conectar tres puertos al mismo tiempo. Ambas formas, en T y en L, son adecuadas para aplicaciones de desvío, pero es obvio que el puerto en L tiene ventajas, ya que su diseño es menos complicado.
¿Cómo sé cuándo hay que reemplazar un diafragma en una válvula de 3 vías?
La mejor medida de fiabilidad es el momento de sus períodos de reemplazo, basándose tanto en los datos de vida útil del ciclo publicados por el fabricante como en la tasa de ciclo de uso particular. Con una válvula que cicla mil veces al día y un diafragma clasificado para un millón de ciclos, el período de mantenimiento es de aproximadamente tres años. Las inspecciones visuales periódicas darán una buena comprensión de las condiciones del diafragma, por ejemplo, buscando defectos como grietas o hinchazón. Si un diafragma ha fallado, no sella correctamente o tiene algún daño visible, debe reemplazarse inmediatamente, independientemente del programa de mantenimiento.
¿Se puede limpiar in situ con CIP una válvula de bola de 3 vías?
Sí, una válvula de bola sanitaria de tres vías se puede limpiar in situ si la válvula tiene un diseño de tres piezas en el que el medio CIP puede pasar por todas las partes de la válvula. Además, la válvula de bola deberá ciclarse durante la secuencia de limpieza CIP para limpiar la cavidad de la bola y los sellos de la válvula. Si una válvula de bola mantiene una posición fija durante una limpieza CIP, resultará en el estancamiento del fluido de limpieza en la cavidad de la bola, lo que significa que no se limpiará eficazmente. La válvula de bola debe abrirse y cerrarse muchas veces para asegurar que esta cavidad estancada se limpie. Para obtener más información sobre los requisitos de limpieza de los equipos higiénicos, las Normas Sanitarias 3-A proporcionan los criterios de diseño y prueba.
Referencias
- GEMÜ — Válvulas de diafragma de 3 vías para aplicaciones higiénicas. Fabricante alemán de válvulas de diafragma de alta pureza, con datos publicados de vida útil del ciclo y configuraciones certificadas 3-A para la industria alimentaria y de bebidas.
- Alfa Laval — Válvulas sanitarias de 3 vías y soluciones de desvío. Fabricante global de válvulas de diafragma, bola y mariposa higiénicas, con automatización integrada y compatibilidad CIP/SIP.
- 3‑A Sanitary Standards, Inc. — Normas de diseño y materiales de válvulas higiénicas. Las normas que definen el diseño, los materiales y la capacidad de limpieza de las válvulas utilizadas en el procesamiento de lácteos y alimentos, a las que hacen referencia las autoridades reguladoras y los especificadores de equipos de todo el mundo.
- EHEDG — Grupo Europeo de Ingeniería y Diseño Higiénico. La contraparte europea de 3‑A, que proporciona directrices de diseño higiénico y certificación para equipos de procesamiento de alimentos y bebidas, incluidas las válvulas.
La mejor válvula de 3 vías de alto ciclo para un sistema de alimentos y bebidas es aquella cuyo diseño interno, actuador y programa de mantenimiento coinciden con la tasa de ciclos, el régimen de limpieza y las demandas de producción de la línea a la que sirve. Una válvula de diafragma, con su actuador aislado y su diafragma reemplazable, tendrá un ciclo más largo, una limpieza más completa y un menor coste de mantenimiento durante toda su vida útil que cualquier otro tipo de válvula en servicio higiénico de alto ciclo. Eagle Fittings fabrica válvulas sanitarias de diafragma, bola y mariposa en configuraciones de 3 vías para las industrias de alimentos, lácteos y bebidas, con las opciones de actuador de alto ciclo, la trazabilidad completa de los materiales y el programa de piezas de repuesto que mantienen una válvula crítica funcionando durante la vida útil de la línea.
