VÁLVULAS DE CONTROL
TEMARIO
• Conceptos Básicos y Terminología
• Tipos
de
Válvulas,
Actuadores
y
Accesorios.
VÁLVULAS DE CONTROL
¿Qué es una válvula de
control?
VÁLVULAS DE CONTROL
Algunos conceptos típicos:
Mecanismo capaz de regular el paso de un fluido
de acuerdo al requerimiento del controlador.
Es un elemento final de control, varía el caudal del
fluido de control, modificando el valor de la
variable controlada comportándose como un
orificio de área variable.
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ACTUADOR ENSAMBLAJE DEL CUERPO VÁLVULA DE CONTROLVÁLVULAS DE CONTROL
VÁLVULAS DE CONTROL
VÁLVULAS DE CONTROL
• GANANCIA: Término de aplicación gral. Indica
la relación entre el cambio de magnitud en la
salida respecto a la magnitud de la entrada que
produjo el cambio. Estática o Dinámica.
• GANANCIA
INHERENTE
DE
VÁLVULA,
INSTALADA DE VÁLVULA, DE LAZO, DE
PROCESO.
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Característica de Flujo de la Válvula = Porcentaje de Flujo Máximo vs. Porcentaje de Recorrido del Obturador
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• Característica de Flujo Inherente ó
Instalada: Lineal, Igual Porcentaje o
Iso-porcentual, Apertura Rápida.
• Partes de la Válvula: Cuerpo, Trim: Tapón,
obturador o miembro de cierre, jaula,
asiento, puertos, Bonete o Casquete,
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VÁLVULAS DE CONTROL
VÁLVULAS DE CONTROL
Coeficiente de Flujo (Cv): Llamado también capacidad de la
válvula. Es un factor constante relacionado a la geometría de la
válvula en función del recorrido dado por el obturador. Está
establecido como el número de galones por minuto (gpm) a 60°F
que pasarán a través de la abertura de la válvula con una caída de
presión de 1 PSI a través de la misma.
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Símbolos
y
Terminología
utilizadas
en
las ecuaciones
para
los
cálculos en la
selección
de
válvulas
de
control
VÁLVULAS DE CONTROL
Característica de Flujo de la Válvula de acuerdo a la forma del Tapón
Obturador
Característica de flujo iso-porcentual en la válvula, la cual implica que para incrementos iguales de movimiento, operación o viaje de la válvula, se producen cambios de igual porcentaje en el coeficiente de flujo o capacidad de la válvula (CV).
VÁLVULAS DE CONTROL
Característica de Flujo de la Válvula de acuerdo a la forma del Tapón Obturador
Característica inherente de flujo lineal que puede ser representada como una línea recta en una gráfica cartesiana o rectangular que relacione el coeficiente de flujo (CV) respecto al porcentaje de obturación o apertura. Por lo tanto, iguales incrementos/decrementos del porcentaje de movimiento u operación de la válvula producirán incrementos/decrementos iguales del coeficiente de flujo (CV).
VÁLVULAS DE CONTROL
Característica de Flujo de la Válvula de acuerdo a la forma del Tapón Obturador
Característica inherente de flujo apertura rápida en la cual un coeficiente de flujo (CV) máximo es alcanzado con mínimo accionamiento del obturador en su movimiento de apertura.
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FACTOR DE RECUPERACIÓN O
RECOBRO (CF)
Según ISA, FL. Se refiere a la capacidad de
la válvula de control de recuperar un nivel
de presión de operación adecuado para el
proceso, aguas abajo del orificio de control.
Viene determinado por la geometría del
cuerpo de la válvula.
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Valores de Cf y Kc (coeficiente de cavitación incipiente) de acuerdo a la geometría interna de la válvula. Modelos MASONEILANVÁLVULAS DE CONTROL
P
1P
2 Vena Contracta FlujoV1
V2
PERFIL DE VELOCIDADVÁLVULAS DE CONTROL
P
1P
2 Flujo CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍAP1
P2
V1
V2
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LA PRESIÓN DE VAPOR SE DA EN FUNCIÓN
DE LA TEMPERATURA
P > Pv
Fase Líquida
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P
1P
2 Flujo CAVITACIÓNP1
P2
Pv
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CAVITACIÓN
La cavitación se produce cuando la caída de presión a través de la válvula se hace inferior a la presión de vapor del fluido (Pv) formándose burbujas en el fluido por efectos del cambio de fase, una vez pasado el punto de la vena contracta, al recuperarse la presión en la salida si ésta vuelve a superar la Pv, las burbujas colapsan o implosionan produciendo ráfagas de altas velocidades debido a la liberación de energía, las cuales erosionan los componentes del trim, a corto plazo la cavitación hace inoperable la válvula. Igualmente se produce un ruido hidrodinámico parecido al sonido como de grava chocando con las paredes internas del cuerpo de la válvula.
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VÁLVULAS DE CONTROL
P
1P
2 Flujo FLASHINGP1
P2
Pv
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FLASHING
El Flashing ocurre de manera similar a la cavitación con la diferencia que la presión no se recupera más allá de la presión de vapor (Pv). Lo anterior implica que las burbujas formadas por el cambio de fase permanecen en el fluido y debido a las altas velocidades, estas burbujas van a producir un desgaste en los componentes del trim y del cuerpo de la válvula como si fuera un fino “sandblasting” a través del tiempo. El ruido generado no es un factor de consideración cuando ocurre el flashing. El control de la válvula en condición de flashing es inefectivo, ya que se está en una situación de flujo ahogado.
P
1P
2v << v
1
2
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FLASHING
Generalmente cuando ocurre el Flashing se tiene situación de flujo ahogado (“choked flow”)
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VÁLVULAS DE CONTROL
RUIDO
-
Ruido Aerodinámico: Es el resultado directo de la conversión
de la energía mecánica del flujo en energía acústica cuando el
fluido pasa por la restricción que ofrece la válvula. La
proporcionalidad de esta conversión se llama eficiencia
acústica y está referida a la relación de presiones de la válvula,
es decir, presión de entrada respecto a la presión de salida.
-
Ruido Hidrodinámico: Directamente relacionado al ruido del
fluido al pasar por la tubería y la válvula, el ruido de cavitación
y el ruido por flashing, de las tres (3) fuentes el ruido de
cavitación es el de consideración, ya que además de su sonido
fuera de los rangos permisibles, es un indicativo que la
condición destructiva a corto plazo está ocurriendo.
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HERMETICIDAD O FUGA (“LEAKAGE”)
Clasificación normalizada del factor que determina la
relación de sello entre el tapón obturador y el asiento en el
trim de la válvula. Dependiendo de la aplicación se ha
clasificado el nivel de hermeticidad, lo cual define el diseño
y construcción de los elementos de cierre en conjunto con
materiales elastómeros y/o plásticos para mejorar dichos
niveles. El uso de los materiales o simplemente sellar
“metal-metal” va de acuerdo al requerimiento de proceso y
tipo de fluido a controlar. La clasificación de hermeticidad
la ha definido la ANSI para los fabricantes americanos,
teniendo su equivalencia por ejemplo en DIN para los
europeos.
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Leakage Class Designation Maximum Leakage AllowableTest Medium Test Pressure
Testing Procedures Required for Establishing Rating I x x x No test required II 0.5% of rated capacity Air or water at 50 - 125o F (10 - 52oC) 45 - 60 psig or maximum operating differential whichever is lower 45 - 60 psig or maximum operating differential whichever is lower III 0.1% of rated
capacity As above As above As above IV 0.01% of rated
capacity As above As above As above
V
0.0005 ml per minute of water per inch of port diameter per psi differential Water at 50 to125oF (10 to 52oC) Maximum service pressure drop across valve plug not to exceed ANSI body rating Maximum service pressure drop across valve plug not to exceed ANSI body rating VI Not to exceed amounts shown in the table above Air or nitrogen at 50 to 125o F (10 to 52oC) 50 psig or max rated differential pressure across valve plug whichever is lower Actuator should be adjusted to operating conditions specified with full normal closing thrust applied to valve plug seat Clasificación de Fuga en Válvulas de Control
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TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROL
• Vástago Deslizante o Reciprocantes
• Eje Rotativo o Rotativas
• Otros diseños
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Válvula de Puerto Simple
-Aplica en los tipos, globo, ángulo o cuerpo dividido
-Más Común Aplicación
-Hermeticidad metal-metal o asiento suave
-Desbalanceadas
-Mayoría aplicaciones de flujo
-Flexibilidad para manejar característica a través del obturador o guiado por jaula, también para combatir cavitación, “flashing” y ruido
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TIPO ÁNGULO
-Generalmente para control de agua de alimentación en calderas o drenaje en calentadores o para optimización de espacio físico o como codo.
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Puerto Simple Balanceado, Guiado
por Jaula y Asiento Suave -Utiliza las ventajas de las válvulas doble-puerto con un solo anillo de asiento.
-Al utilizar jaula tiene la flexibilidad de caracterización y protección contra cavitación y ruido
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Cuerpo de Válvula Guiado por Jaula de Alta Capacidad
-Para aplicaciones de alta generación de ruido como estaciones de reducción de gas a alta presión.
-Conexiones de acople a tubería sobredimensionadas.
-Típicamente los trim guiados por jaula puede abatir hasta 35 decibelios.
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Válvula de Doble-Puerto y Acción Inversa
-La acción del flujo de tender a abrir un puerto y cerrar el otro balancea las fuerzas dinámicas. -Capacidades de 4” en adelante.
-Generalmente de cuerpos reversibles, que implica puede instalarse para acción directa o reversa como el ejemplo.
-Típicamente para aplicaciones en refinerías para fluidos viscosos o contaminados con impurezas que rodearían el área del trim.
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Cuerpo de Válvula de Tres Vías
-Para aplicaciones de divergencia (distribución) o convergencia
(mezclado) de flujos.
-Los mejores diseños utilizan trim guiados positivamente por jaula para flexibilidad y facilidad de
mantenimiento.
-El ejemplo muestra un obturador guiado por jaula balanceado
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VÁLVULA DE CONTROL DE COMPUERTA
DESLIZANTE
-Patentada en su
aplicación para control continuo proporcional por SCHUBERT-SALZER. -Asiento formado por un
disco fijo con ranuras de igual ancho y diferente longitud y Obturador en base a un disco móvil
con la misma
configuración de ranuras del asiento.
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Válvula Mariposa de Alto Desempeño
-Poco espacio para instalación.
-Alta capacidad (Cv) y alto factor de recuperación (Cf).
-Económicas principalmente las grandes, relacionando capacidad de flujo vs inversión.
-Discos contorneados o delineados dinámicamente producen rotaciones de hasta 60° y 90° respectivamente.
-Necesitan grandes actuadores cuando hay gran caída de presión y por la alta generación de torques.
-Aplicaciones de cierre rigurosas en su utilización en plantas nucleares. Utilizando alineadores (“liners”) se obtiene buen cierre (“shutoff”).
-Iso-porcentuales mayor parte del rango aunque se utilizan mucho en aplicaciones On-Off.
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Válvula de Bola con Muesca en V (“V-Notch”)
-Contorno en forma de V en la bola. Produce menor caída de presión.
-Característica Iso-Porcentual.
-Buena rangoabilidad, control y capacidad de cierre.
-Usualmente instalada en plantas de Pulpa y Papel, Aguas Servidas y Generación Eléctrica en aplicaciones erosivas y de alto contenido de sólidos en suspensión.
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Eje y Bola con Micro-Muesca Típica
VÁLVULAS DE CONTROL
Diseño Válvula de Bola (Vee Ball) FISHER CONTROLS para trabajo pesado desde 3” a 12”
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Válvula de Disco Excéntrico
-Efectivo Control de Cierre. -Característica de Flujo Lineal en los 90° grados del rango de operación del disco.
-La operación de apertura lo separa del sello minimizando el desgaste, debido a la excentricidad.
-Principalmente para aplicaciones de válvulas grandes en procesos de alta temperatura y bajo nivel de cambios de carga.
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Cuadro Comparativo de Movimiento del Disco Excéntrico y el Disco Convencional
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Posición Totalmente Abierta
-Diseñadas primordialmente para combatir fluidos erosivos. -Manejan altas temperaturas (427°C) y alto Delta P
(1500PSI).
-Trayectoria del tapón al abrir minimiza contacto con el sello alargando vida útil.
-Materiales del trim y el cuerpo disponibles para ambientes
altamente erosivos. Varios tipos de aleaciones hasta cerámica. -Típicas aplicaciones: Minería, Generación Eléctrica, Pulpa y Papel.
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VÁLVULAS TIPO “PINCH”
-Dependen de una manga de materiales flexibles configurados para las aplicaciones y rigurosidades de los fluidos.
-Aplicación típica para fluidos erosivos y/o abrasivos. Presiones hasta ANSI 300 y temperaturas hasta 400°F.
-Neopreno, Poliuretano, Hypalon, Chlorobutyl, Viton, Goma, son algunos de los materiales flexibles utilizados.
-Característica de flujo obtenida básicamente de acuerdo a la ofrecida por el actuador, perdiendo precisión en procesos de muchos cambios de carga.
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CONEXIONES FINALES O TIPOS DE
ACOPLE A LAS TUBERÍAS DE FLUJO
• Roscadas
• Bridadas
• Soldadas
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Conexiones Roscadas
-Populares en válvulas de control pequeñas no mayor a 2”.
-Más económicas que las bridadas.
-Usualmente fabricadas con roscas hembras tipo NPT (National Pipe
Thread) en el cuerpo de la válvula.
-Forma un sello metal-metal al acoplar con la rosca macho de la
tubería.
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CONEXIONES BRIDADAS
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• Bridas de Cara Plana: Permite que las
bridas de acoplamiento de la válvula y la
tubería estén en contacto total con las
empacaduras fijadas entre ellas. Esta
construcción comúnmente se utiliza para
bajas presiones, para las válvulas de
hierro colado o de latón y minimiza los
esfuerzos en las bridas causadas por el
atornillamiento o apernamiento inicial.
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• Bridas de Cara Elevada o Desbordada: Implica
disponer de una cara desbordada circular con el
diámetro interno igual a la apertura total de la válvula y
el externo algo menor que el círculo de atornillamiento o
apernamiento. La cara desbordada es finalizada en
estrías acanaladas concéntricas para un mejor
sellamiento y resistencia a rompimiento de las
empacaduras. Este tipo de brida se utiliza con una
variedad de materiales de empaque y materiales de
brida para trabajar con presiones hasta los 6000 PSIG
(414 BAR) y para temperaturas hasta los 1500 °F (815
°C). Este estilo de bridado es estandarizado para la
norma Clase 250 en cuerpos de hierro colado y todos lo
de acero o aleaciones que involucran acero.
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• Bridas de Unión Tipo Anillo: Luce como una brida de
cara elevada excepto que una estría en forma de U es
cortada en la cara concéntrica elevada con la apertura
de la válvula. La empacadura consiste entonces en un
anillo de metal sea con sección elíptica u octogonal.
Cuando la brida se atornilla o aperna, la empacadura se
afianza en la estría de la brida de acople y de esta forma
un sellado preciso se alcanza. La empacadura es
generalmente de hierro suave o de Monel, aunque es
disponible en casi cualquier metal. Esto produce una
excelente unión a altas presiones y es utilizada hasta los
15.000 PSIG (1.034 BAR), pero no a altas temperaturas.
Las bridas son fabricadas en acero o de la aleación del
cuerpo de la válvula cuando es especificado.
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CONEXIONES FINALES SOLDADAS
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La conexiones finales soldadas son las más económicas en la primera inversión. Son anti-fuga para todos los tamaños y tipos. Se tienen dos (2) opciones: soldadura de incrustación y soldadura a tope.
La primera se prepara bordeando cada punta de la válvula con un diámetro interno ligeramente superior al diámetro exterior de la tubería. El tubo desliza dentro del tubo de la válvula hasta topeé en una pestaña entonces se procede a la unión con un cordón de soldadura. Los extremos para soldadura de incrustación en un tamaño dado son dimensionalmente los mismos, independientemente del grosor de la pared o “Schedule” de la tubería. Usualmente se utilizan en tamaños de hasta 2”.
La segunda se prepara para asegurar que el tubo de la válvula corresponda exactamente al mismo nivel del tubo de la línea. Se procede a topear los tubos y se soldan con soldadura de alta penetración. Este tipo de unión se utiliza en todos los estilos de válvulas y la preparación de los extremos variará de acuerdo al grosor de la pared o Schedule de la tubería. Generalmente se utilizan en tamaños de 2 ½” o más grandes. Debe tenerse mucho cuidado cuando se procede al soldado de la válvula, ya que las altas temperaturas pueden dañar el trim de aplicación para bajas temperaturas por lo que es necesario remover el trim antes de proceder al soldado.
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Bonete, Cuello o Casquete
-Parte de la válvula donde se mueve el vástago.
-Contiene el empaque para evitar las fugas en la operación del vástago. -Aplica generalmente para las válvulas reciprocantes, actúa como retenedor de presión en la parte
superior del cuerpo.
-Fabricado generalmente del mismo material que el cuerpo de la válvula.
-Varios diseños de
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Bonete, Cuello o Casquete
Empaque cargado a resorte Bonete típico, brida y pernos de
VÁLVULAS DE CONTROL
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Bonete aislado y aleteado
diseñado para irradiar calor.
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Bonete, Cuello o Casquete
El Bonete de extensión estilo2 con mayor extensión para aún mayor aislamiento del medio de temperatura extrema y el Bonete Sellado con Fuelle para protección por el manejo de fluidos peligrosos
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Opciones de Construcción de Fuelles para Bonetes
Formación mecánica para extensiones más altas mayor repetibilidad y durabilidad, más caro
Láminas soldadas para extensiones más cortas, más económico.
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EMPAQUETAMIENTO O EMPAQUE
- Anillos de Teflón (PTFE) en V: Material plástico con condición inherente de minimizar la fricción. Los anillos moldeados en forma V son cargados por resorte y auto
ajustados en la caja de empaque. No requieren lubricación. Son resistentes a
la mayoría de los químicos conocidos a excepción de los metales fundidos de alcaloides. Requieren una suavidad extrema en el acabado del vástago (2 a 4 micro-pulgadas RMS) para el apropiado sello. Se producirá fuga si la superficie del vástago o del empaque son dañadas. Son recomendados para temperaturas desde -40 a +450 °F (-40 a +232 °C). No son apropiados para plantas nucleares, ya que la radiactividad destruye el teflón.
- Grafito Laminado o en Filamentos: Apropiados para plantas nucleares de alta temperatura o donde es deseable bajo contenido de cloro (grado GTN). Proveen operación libre de fugas, alta conductividad térmica, y larga vida útil pero produce alta fricción en el vástago lo que se traduce en histéresis. Impermeable a la mayoría de los fluidos difíciles de manejar así como a la alta radiación. Apropiado para trabajar en rangos de temperatura criogénicos de hasta -1200 °F (-649 °C). La lubricación no se requiere pero si es necesario utilizar bonetes de extensión o yugos (yoke) de acero cuando la temperatura en la caja de empaque supere los 800 °F (427 °C).
- Otros arreglos de empaque especiales se fabrican para protección contra fugas en función de cumplir con normativas de protección ambiental.
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ACTUADORES
• Neumáticos
– Diafragma
– Pistón
• Hidráulicos
• Eléctricos
VÁLVULAS DE CONTROL
Actuadores Neumáticos de Diafragma: -Más utilizados, menos complejos y económicos. -Reciben el aire de control para movimiento del vástago. -Varias opciones: Acción directa, inversa, reversibles, para válvulas rotativasVÁLVULAS DE CONTROL
Actuador Diafragma
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Actuador Pistón
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Actuadores Hidráulicos y Electrohidráulicos
-Autocontenidos, con gran torque de acción.
-Requieren solamente en caso de los Electrohidráulicos la alimentación para el motor y la señal de control eléctrica.
-Los hidráulicos dependen directamente de un fluido para transmitir la fuerza de accionamiento y de control.
-Generalmente reversibles y de rígida construcción.
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VÁLVULAS DE CONTROL
POSICIONADORES
Representan una dispositivo de control dedicado en la válvula para
asegurar su posición de recorrido de acuerdo al pedido del
controlador.
•Posicionadores Neumáticos: Entrada neumática estándar (3-15 PSIG
generalmente).
•Posicionadores Analógicos (I/P): Dependen de la recepción de una
señal analógica eléctrica estandarizada (4-20 mA) y un transductor I/P
para suministrar el fluido de control neumático al posicionador.
•Controladores Digitales:
– Comunicación No Digital: La entrada y alimentación de la electrónica es una señal de 4-20 mA.
– HART
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VÁLVULAS DE CONTROL
Accionamientos de Control para Actuadores Eléctricos
VÁLVULAS DE CONTROL
ACCESORIOS
• Fines de Carrera
• Volantes de Acción Manual
• Arreglo “manifold” de válvulas solenoides
• Regulador de Presión de Alimentación
• Transductores Electroneumáticos
• Sistemas de Falla Segura para Actuadores Tipo Pistón
• Sistemas de Bloqueo Neumáticos
VÁLVULAS DE CONTROL
Fines de Carrera Operados por Levas
Volante para Control Manual de Montaje Superior para Acción Inversa
VÁLVULAS DE CONTROL
Válvula Solenoide
Regulador de Presión, incluye Filtro y Trampa para Humedad
VÁLVULAS DE CONTROL
SELECCIÓN DE VÁLVULAS DE CONTROL
• Tipo de fluido de proceso a controlar.
• Temperatura del fluido.
• Viscosidad del fluido.
• Gravedad específica del fluido
• Capacidad de flujo requerida (mínima y máxima).
• Presión de entrada en la válvula (mínima y máxima)
• Presión de salida en la válvula (mínima y máxima)
• Caída de presión durante condiciones normales de flujo.
• Caída de presión al cierre de la válvula.
• Máximo nivel de ruido permisible, si es pertinente, más el punto de referencia medido.
• Grados de sobrecalentamiento o “flashing” existente, si es conocido.
• Tamaño de la tubería en la entrada y la salida y el Schedule (grosor de la pared del tubo).
• Material del cuerpo (ASTM A216 grado WCC, ASTM A217 grado WC9, ASTM A351 CF8M, etc.).
• Conexiones finales y grado de construcción de la válvula (“rating”) (atornillada o apernada,
bridada Clase 600 RF, bridada Clase 1500 RTJ, etc.).
• Acción deseada al fallar el aire de instrumentación (abrir válvula, cerrar válvula, retener última
posición controlada).
• Aire de Instrumentación disponible.
VÁLVULAS DE CONTROL
PARÁMETROS A CONSIDERAR DE ACUERDO A ESPECIFICACIONES DEL USUARIO Y PRÁCTICAS DE INGENIERÍA
• Número del tipo de válvula.
• Tamaño de la válvula
• Construcción del cuerpo de la válvula (ángulo, doble-puerto, mariposa, etc.)
• Guía del obturador de la válvula (estilo jaula, puerto guíado, etc.)
• Acción de obturación (empujar hacia abajo para cerrar, empujar hacia abajo para
abrir).
• Tamaño del puerto (completo o restringido).
• Materiales requeridos para el trim.
• Acción de flujo (flujo tiende a abrir la válvula o flujo tiende a cerrar la válvula).
• Tamaño requerido del actuador.
• Estilo del bonete (plano, extensión, con sello de fuelle, etc.)
• Material del empaquetamiento (anillo en V de PTFE, grafito laminado, sistema de
sello ambiental, etc.)
VÁLVULAS DE CONTROL
CRITERIO DE SELECCIÓN DEL CUERPO
DE LA VÁLVULA
Se consideran generalmente de acuerdo a
la clasificación de presiones ANSI. Las más
comunes para acero y acero inoxidable para
clases 150, 300 y 600. Lo anterior de
acuerdo a los documentos ASME/ANSI
publicados.
VÁLVULAS DE CONTROL
LÍMITES DE TEMPERATURA ALTOS Y BAJOS
La temperatura afecta la selección de la mayoría de las
válvulas. Por ejemplo si se cambia el material de teflón
(PTFE) a solo metal a alta temperatura seguramente se
decrementa el flujo de fuga al cierre (shutoff). De igual
manera, rodamientos de metal a alta temperatura tienen
mayor fricción que los de teflón en las mangas de las
válvulas rotativas, lo que implica que no podrán operar
eficientemente para acciones tan altas como la que
produce la carga por una caída de presión al cierre total
VÁLVULAS DE CONTROL
COMPATIBILIDAD Y DURABILIDAD DEL
MATERIAL
Criterio de selección con consideraciones
más complejas, donde es importante
analizar los efectos de corrosión del fluido,
erosión por fluidos abrasivos, o simplemente
un situación particular donde juega papel las
presiones y temperaturas del proceso.
VÁLVULAS DE CONTROL
CARACTERÍSTICA DE FLUJO INHERENTE Y
RANGOABILIDAD
Criterio de selección de acuerdo como debe ser el
patrón de cambio de flujo en la válvula con caída
de presión constante, de acuerdo al porcentaje de
recorrido del obturador. Las características típicas
estudiadas
deberán
ser
consideradas
a
conciencia, ya que de su selección dependerá la
estabilidad del control del proceso, éstas afectan
directamente la ganancia de la válvula.
VÁLVULAS DE CONTROL
MÁXIMA CAÍDA DE PRESIÓN (AL CIERRE Y
FLUYENDO)
Criterio de selección importante es la máxima caída de
presión que debe soportar la válvula en el cierre o en las
operaciones cercanas a éste. Las válvulas de vástago
deslizante son esencialmente superiores en relación a este
parámetro debido a las características rígidas de sus
partes móviles.
Las válvulas rotativas son limitadas a las caídas de presión
bajo los límites establecidos en el cuerpo, sobretodo en
condiciones de operación debidas a las altas fuerzas
dinámicas que la alta velocidad del flujo impone sobre los
discos o bolas segmentadas.
VÁLVULAS DE CONTROL
RUIDO Y CAVITACIÓN
Parámetros que generalmente son tratados
en conjunto, ya que los mismos se producen
generalmente por las grandes caídas de
presión y altas proporciones de flujo. Son
tratadas
realizando
modificaciones
VÁLVULAS DE CONTROL
VÁLVULA ANTI CAVITACIÓN
VÁLVULAS DE CONTROL
VÁLVULAS DE CONTROL
DISCO DE PILA ANTI CAVITACIÓN
VÁLVULAS DE CONTROL
CONEXIONES FINALES O DE ACOPLE
EN LAS VÁLVULAS DE CONTROL
La selección del método adecuado de
acople, roscado, bridado o soldado también
un punto fundamental en la selección de la
válvula.
VÁLVULAS DE CONTROL
SELECCIÓN DE LA CARACTERÍSTICA DE FLUJO
• La Característica Apertura Rápida aplicará en procesos donde se necesita amplia respuesta de flujo con pequeños cambios en los porcentajes bajos de recorrido de la válvula, en esencia tiene un comportamiento lineal en los porcentajes medios y bajo rango de variación de flujo en los altos porcentajes de recorrido y/o apertura.
• La Característica Lineal, considerando su comportamiento de igual variación de flujo en general para iguales niveles de recorrido de la válvula, se utiliza primordialmente en aplicaciones de control de nivel o donde se requiere ganancia constante en su recorrido. En esencia para procesos con pocos cambios de carga.
• La Característica Igual Porcentaje se selecciona mayormente para aplicaciones donde la caída de presión es absorbida en gran porcentaje por el sistema en general o donde altas variaciones de caída de presión pueden suscitarse.
VÁLVULAS DE CONTROL
DIMENSIONAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL
•
Objetivo Básico: Evitar que la Pvc no cruce la línea
de Pv.
•
Pasos
Generales
a
seguir
para
el
dimensionamiento según IEC 534-2 (compendio
general después de harmonizar con ANSI/ISA
S75.01). Aplicación para Líquidos:
1.
Especificar las variables requeridas para dimensionar la
válvula.
– Diseño Deseado: En general considerar las tablas de tipos de válvulas y sus Cv´s de acuerdo a la aplicación
– Fluido de Proceso (Agua, Aceite, etc.)
– Condiciones de Servicio Apropiadas: Q ó W, P1, P2, ∆P, T1, Gf, Pv, Pc y
υ
VÁLVULAS DE CONTROL
2.Determinar la constante N de la ecuación. N
provee el medio para la utilización de
diferentes sistemas de unidades.
Ejemplo: Utilizar N1, se si dimensiona
para unidades volumétricas (gpm ó
m3/h).
Utilizar N6, si se dimensiona la válvula
para flujo másico (lb/h ó Kg/h).
VÁLVULAS DE CONTROL
3. Determinar Fp, el factor geométrico de la
tubería: Es un factor de corrección que toma
en cuenta las pérdidas de presión debidas a
accesorios
(fittings)
como
reductores,
codos o tees, instalados aledaños aguas
arriba y/o aguas debajo de la válvula de
control que quiere dimensionarse. Si no hay
accesorios instalados cerca, Fp tiene un
valor de 1.0, en caso contrario debe
considerarse en función de ecuaciones.
VÁLVULAS DE CONTROL
4. Determinar el Qmax (flujo aguas arriba máximo) o el
∆Pmax (Caída de presión de dimensionamiento
máxima permisible).
El flujo máximo a circular a través de la válvula es el
flujo ahogado (choked flow). El estándar IEC
requiere calcular la caída de presión máxima
(∆Pmax) para verificar la ocurrencia del flujo
ahogado. Se compara el último parámetro con el
especificado en las condiciones de servicio,
tomándose el menor valor de los dos (2). Si se tiene
la certeza que la válvula no sufrirá condiciones de
flujo ahogado no es necesario calcular el ∆Pmax.
VÁLVULAS DE CONTROL
5. Calcular el Cv utilizando la ecuación
VÁLVULAS DE CONTROL
Se tienen otros valores posibles de cálculos
de Cv´s sobre todo trabajando fuera de los
Estados Unidos:
VÁLVULAS DE CONTROL
6. Se selecciona el tamaño de válvula utilizando el valor apropiado
según las tablas de coeficientes de flujo comparado con el valor
calculado.
Determinación del Fp (Factor Geométrico de la Tubería):
Siempre que sea posible es ideal determinar el valor
experimentalmente chequeando en la práctica la válvula
especificada con los procedimientos adecuados. Los factores Fp
listados en las tablas para las válvulas rotativas se han
determinado de esa forma. Si no se tiene estos valores tabulados,
utilizar la ecuación:
VÁLVULAS DE CONTROL
N2: Constante numérica que se encuentra en la tabla de
constantes para tal fin.
d: Tamaño de válvula nominal asumido.
Cv: Coeficiente de flujo al 100% de recorrido para el tamaño de
válvula asumido.
El término
∑K es la suma algebraica de los coeficientes de
pérdidas de los cabezales de velocidad de todos los accesorios
o fittings aledaños a la válvula, donde:
VÁLVULAS DE CONTROL
K1: Coeficiente de resistencia de los accesorios aguas arriba o en la entrada de la válvula.
K2: Idem aguas abajo.
KB1: Coeficiente de Bernoulli aguas arriba. KB2: Idem aguas abajo.
Los coeficientes de Bernoulli, se utilizan solamente cuando los diámetros aguas arriba y aguas abajo de las tuberías son diferentes, donde:
VÁLVULAS DE CONTROL
d: Tamaño nominal de la válvula
D: Diámetro interno de la tubería
Si el tamaño de las tuberías de entrada y salida
son iguales, entonces KB1 = KB2 y no son
considerados en la ecuación.
El accesorio más común utilizado en las
tuberías instalados aledaños a las válvulas, el
reductor concéntrico corto, cuyas ecuaciones
son las siguientes:
VÁLVULAS DE CONTROL
Para instalación aguas arriba de la válvula:
VÁLVULAS DE CONTROL
Para instalación aguas abajo de la válvula:
Para una válvula instalada entre reductores
idénticos:
VÁLVULAS DE CONTROL
Determinación del Qmax ó el
∆Pmax: La
idea es calcular los valores de los
parámetros
anteriores
para
las
condiciones de posible desarrollo de
flujo ahogado a través de la válvula.
VÁLVULAS DE CONTROL
F
F
: Puede determinarse a través de la
siguiente gráfica o por la ecuación
siguiente:
VÁLVULAS DE CONTROL
Los valores de FL (factor de recuperación) para una
válvula sin accesorios aledaños puede encontrarse en
las tablas de Cv´s para la válvula o por la ecuación
SQRT(P1-P2/P1-Pvc). Si la válvula tiene accesorios
aledaños, entonces se debe utilizar el factor FLP/Fp:
VÁLVULAS DE CONTROL
K1 = K1 + KB1, los mismos parámetros
relacionados con el cálculo de Fp.
Para la determinación del ∆Pmax:
Sin accesorios aledaños:
VÁLVULAS DE CONTROL
Si
se
tienen
accesorios
aledaños,
VÁLVULAS DE CONTROL
Si el
∆Pmax calculado con la ecuación apropiada es
menor que el ∆P de servicio del proceso, es decir P1 –
P2, es un indicativo que la condición de flujo ahogado
seguro ocurrirá bajo las condiciones especificadas,
entonces debe repetirse el paso número 5 del
procedimiento de dimensionamiento de válvula para
líquidos, reemplazando el valor del
∆Pmax con el valor
∆P de servicio y teniendo en cuenta que las
condiciones de cavitación o flashing pueden ocurrir
para lo cual se tomarán las medidas de protección
adecuadas en la selección de accesorios.
VÁLVULAS DE CONTROL
APLICACIÓN PARA FLUIDOS COMPRESIBLES (GASES)
Siguiendo el procedimiento de seis (6) pasos normalizado ISA/IEC. Los pasos 3 y 4 se refieren a ciertos aspectos del dimensionamiento que pueden o no considerarse dependiendo de las condiciones de servicio.
1. Especificación de las variables necesarias para el proceso de dimensionamiento:
– Diseño de válvula deseado (Ejemplo, globo con jaula lineal, hay que referirse a la tabla adecuada)
– Fluido de Proceso (Aire, Gas Natural, Vapor, etc).
– Condiciones de Servicio Apropiadas (q ó w, P1, P2 ó ∆P, T1, Gg, M, k, Z y γ1)
2. Determinación de la constante N de la ecuación. Utilizar N7 ó N9 si la proporción de flujo está en unidades volumétricas (SCFH ó m3/h).
VÁLVULAS DE CONTROL
Se N7 si solo se dispone de la gravedad específica Gg. Se utiliza N9 si solo se dispone del peso molecular M. Usar N6 ó N8 si se va a trabajar con flujo másico (lb/h ó Kg/h). N6 si solo se dispone del peso específico γ1. N8 si solo se dispone del peso molecular M.
3. Determinar el Fp (mismo procedimiento usado para líquidos). 4. Determinar el factor de expansión Y, a través de:
Y = 1 – (x/3Fk*xT), donde:
Fk = k/1.4, factor de relación de calores específicos k = Relación de calores específicos
x = ∆P/P1, relación de caída de presión
xT = Factor de relación de caída de presión para válvulas que no tienen accesorios aledaños. xT en esencia es la relación de caída de presión requerida para producir el flujo crítico o máximo a través de la válvula cuando Fk = 1.0.
