calculo y seleccion de valvulas de control (campos)

8/10/2019 Calculo y Seleccion de Valvulas de Control (Campos)

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VLVULAS DE CONTROLSeleccin y clculo

ANTONIO CAMPO LPEZ


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AACERCA DEL AUTOR

A NTONIO C AMPO Lpez es Ingeniero Tcnico Industrial en Electrnica. Comenz susactividad en el rea de la electricidad y posteriormente en la re nera de Ro Gulf, enHuelva-Espaa. Despus, en la puesta en marcha y primeros aos de la re nera de Pe -

tronor, como Jefe de Seccin.Posteriormente, y durante ms de 39 aos, ha trabajado en el Departamento de Inge-

niera y Aplicaciones de Vlvulas de Control, en Masoneilan-Dresser.Su experiencia se deriva del contacto directo con numerosas empresas de todos los

sectores industriales, realizando labores de seleccin y aplicacin de vlvulas de controlen todo tipo de industrias, principalmente Energa, Qumica, Petroqumica, Papel, Trata-miento de Aguas, y otros muchos servicios, tanto en usuarios nales como ingenieras yo cinas de estudios. Esta actividad incluia tambin labores de asesoramiento en puestaen marcha y mantenimiento de vlvulas de control.

Ha publicado varios artculos en revistas tcnicas e impartido cursos de formacin ennumerosas empresas. Es tambin coordinador y profesor en el Mdulo-3 (ElementosFinales de Control) del Mster ISA-Espaa de Instrumentacin.


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PPRESENTACINISA (International Society of Automation) es una asociacin internacional de profesio-nales sin nimo de lucro procedentes del entorno de la instrumentacin y el control de

procesos, que tiene como principal valor la promocin y difusin del conocimiento enel rea tcnica.

ISA Espaa se cre en el ao 1998 con la misin de impulsar la divulgacin de tec-nologas en el sector de la instrumentacin y el control de procesos, y de ser el punto deencuentro de la comunidad de automatizacin en el mbito nacional, organizando para ello

reuniones tcnicas, conferencias, cursos, publicaciones y grupos de trabajo.Hace unos aos, la Seccin Espaola de ISA decidi emprender la iniciativa de la

edicin de libros tcnicos en espaol, con objeto de reforzar el apoyo al desarrollo de los profesionales vinculados a la automatizacin.

Animados por la excelente acogida de la primera publicacin, Sistemas Instrumen-tados de Seguridad (2012) y gracias al esfuerzo y dedicacin de Antonio Campo, es unhonor poder presentar la segunda obra editada por ISA, Vlvulas de Control: Seleccin

y Clculo.Merece mencin especial el compromiso del autor con la Seccin, participando en

actividades de formacin y siendo parte del profesorado del Mster de Instrumentaciny Control de Procesos, que se imparte desde el ao 2006 en colaboracin con el CentroSuperior de Formacin de Repsol. Ms an, su capacidad didctica y experiencia sonampliamente reconocidas dentro del sector y por el alumnado.

Con estas premisas como base de partida, el libro pretende proporcionar un mejor co-nocimiento de las vlvulas de control, y aportar al tcnico o instrumentista los elementosnecesarios para su seleccin, clculo y anlisis dentro del contexto de cada lazo de con-trol, considerando adems otras disciplinas relacionadas, as como distintas industriasde proceso.

Quisiera agradecer a Antonio Campo su excelente trabajo, dedicacin, empeo, mo-

tivacin y apoyo a la labor de divulgacin de la Seccin. Extender mi gratitud a ManuelBollan, Jos Acedo y Juan Carlos Maraa, por su participacin en la revisin de la obray a Francisco Daz-Andreu, por su compromiso, tenacidad, constancia y buen hacer parala consecucin de la misin de ISA Espaa.

Deseamos que el libro re eje la ilusin y el esfuerzo con los que ha sido creado ycontribuya al n perseguido.

R AQUEL MATEOS TEJADAPresidenta Seccin Espaola de ISA 2014

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IINTRODUCCINTodos los modernos sistemas de control, cada vez mejores y algunas veces so sticados, ac -tan sobre un elemento nal situado en el proceso, normalmente manipulando un uido.Este elemento, en la mayora de las ocasiones, es una vlvula de control .

Salvo las aplicaciones en industrias pequeas, reformas puntuales o en los casos dereposicin, se trata a las vlvulas de control como un paquete en el contexto de un pro-yecto. Bien dicho lo de paquete pues es una coleccin de especi caciones y documen -

tos que establecen los criterios generales a cumplir para consultar y comprar las vlvulas.La seleccin y clculo de las vlvulas no solo depende de unas hojas de datos, ms

o menos bien elaboradas. Es necesario tocar diversos aspectos que el tcnico y/o ins-trumentista debe conocer para tenerlos en cuenta y valorar su incidencia en ese procesode clculo y seleccin. Este proceso no es lineal y progresivo, sino tortuoso, debiendoconsiderar muchos factores hasta llegar a una solucin ptima.

En este trabajo se presentan aquellas materias sobre las cuales el tcnico debe tenerun cierto conocimiento. A veces no es fcil que un experto en instrumentacin asuma quealgo hay que saber sobre aceros, sobre termodinmica, sobre actuadores neumticos yelctricos y diversas cuestiones ms. Sin embargo, seleccionar una vlvula no es solo cal-cularla, sino encontrar el trim , el cuerpo, el actuador que d las prestaciones ptimas paracada lazo de control que se trata de automatizar. Y al decir cada pretendo indicar queno se trata de seleccionar las 80 vlvulas de una planta para que estn de acuerdo a unaespeci cacin general; eso es conveniente, pero hay que tener en cuenta que cada vlvulaser diferente y el tcnico tendr que valorar las diferentes situaciones en el proceso. Esnecesario afrontar la seleccin situando a la vlvula en el contexto de cada lazo de control.

La vlvula no es un equipo mecnico, es un instrumento ms en el lazo , que debedar unas prestaciones dinmicas como instrumento. Se trata esto en los Captulos

1 y 4. Las condiciones de proceso permiten un clculo. Para entender previamente losdiversos factores y su in uencia, no solo en el clculo, sino en la seleccin deltipo y materiales, se analizan los fenmenos que se dan en las vlvulas en losCaptulos 5 y 6.

En los Captulos 8 y 9 se abordan las frmulas de clculo y los procedimientosa seguir en cada caso.

Pero hay exigencias constructivas que requieren un cierto conocimiento de mate-riales. Una aproximacin mnima a este tema se hace en el Captulo 7.

Seleccionar signi ca elegir entre varias opciones de vlvulas disponibles, la quesea mejor para la aplicacin que se estudia (vase Captulo 2).

Algunas veces esta seleccin puede estar est condicionada por el actuador y su posible coste (Captulo 3).

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VLVULAS DE CONTROL. Seleccin y clculoXIV

Finalmente, en el Captulo10 se analizan algunos servicios severos y otras apli-caciones en industrias varias. No son, ni se pretende, todas las que nos podemosencontrar. Sirvan para mostrar que cada tipo de industria tiene detalles espec -cos a tener en cuenta para la seleccin de los equipos.

No se abordan otros aspectos, que o bien se suponen conocidos, o no intervie-nenen el clculo y seleccin. Tampoco los que hacen referencia a los detalles de diseo yfabricacin, que seran propios de otros manuales. Este trabajo no pretende ser una enci-clopedia sobre vlvulas autorreguladas y de control, se intenta aportar los elementos pararecorrer ese camino tortuoso hasta lograr la mejor solucin.

Se espera tambin contribuir a un mejor conocimiento del mundo de las vlvulas decontrol para abordar la preparacin de las hojas de datos, y analizar crticamente una pro-

puesta tcnica as como buscar la solucin a un problema puntual en la planta donde se

tengan de ciencias de control, recalculando y modi cando una vlvula para que trabajeadecuadamente.

Los prrafos sombreados e intercalados en el texto, tratan de resaltar algn aspectosobre la materia; son consejos prcticos, llamadas de atencin en forma de conclusiones.Finalmente, en los Anexos se aporta informacin que puede ser til, adems de un ndicetemtico.

Debo expresar mi agradecimiento, en primer lugar, a Diego Hergueta, profesor deInstrumentacin y actual director del Mster de Instrumentacin ISA/Repsol en Espaa,que alcanza, este ao su exitosa 10 edicin. Con su insistencia inici este trabajo, queespero sea til a todos.

Gracias tambin a los tres expertos que con sus comentarios y correcciones me hanayudado a per lar la estructura del libro:

Pepe Acedo, incansable estudioso que ha dedicado toda su vida a la Instrumenta-cin, coronndola con dos libros muy conocidos: Control avanzado de procesos e Instrumentacin y control bsico de procesos .

Juan Carlos Maraa, J. Instrumentacin IDOM, con amplia experiencia en inge-nieria de detalle, montaje y puesta en marcha de variadas plantas de procesos,en su vertiente de instrumentacin, fundamentalmente el sector de la energa y

ex-presidente de ISA Espaa. Manuel Bollan, experto conocedor de todas las fases de un proyecto de instru-

mentacin en diversos sectores industriales de larga enumeracin. Ha vivido per-sonalmente los ms mnimos detalles de la instrumentacin en el aspecto prcti-co. Tambin ex-presidente de ISA Espaa y promotor del Mster ISA/Repsol deInstrumentacin.

Y a todos aquellos que directa o indirectamente me han apoyado en este trabajo, sobre todo a mi esposa Mariangeles , por su comprensin.

A. CAMPO LPEZ


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INDICE

Acerca del autor ..............................................................................................VIIDedicatoria ....................................................................................................... IXPresentacin / Raquel Mateos Tejada ................................................................XIIntroduccin / Antonio Campo Lpez ..................................................................XIII

1. La vlvula en el lazo de control ...................................................................... 11.1. Introduccin ............................................................................................. 1

1.1.1. El llamado elemento nal de control .......................................... 11.2. La vlvula como elemento nal de control .............................................. 4

1.2.1. Parmetros que afectan a las prestaciones de la vlvula ............... 41.2.2. De niciones preliminares ................................................................ 51.2.3. Histresis, banda muerta, repe bilidad, linealidad ......................... 7

1.3. Respuesta dinmica y constante de empo .......................................... 121.3.1. Ensayo de rendimiento dinmico ................................................. 141.3.2. En bsqueda de la vlvula ideal ................................................... 17

Referencias bibliogr cas .............................................................................. 19

2. Tipos y seleccin de vlvulas de control.Otros elementos nales de control .............................................................. 21

2.1. Introduccin y avance sobre el proceso de seleccin ............................ 212.2. Clasi cacin de vlvulas segn su funcin ............................................. 222.3. Autom cas y todo-nada ....................................................................... 232.4. Autooperadas - Self-ac n regulators ...................................................... 26

2.4.1. Tipos de autorreguladores ........................................................... 312.4.2. Clculo y seleccin de autorreguladas ......................................... 37

2.5. Vlvulas de control ................................................................................. 392.5.1. Vlvulas de control lineales/alterna vas ..................................... 422.5.2. El trim de las vlvulas alterna vas. .............................................. 47 2.5.3. Niveles de diseo .......................................................................... 532.5.4. Vlvulas rota vas. Globo, mariposa, bola, etc. ........................... 55

2.6. Otros elementos de control y variadores de velocidad. ......................... 652.6.1. Bombas dosi cadoras. Dampers .................................................. 652.6.2. Las bombas en el proceso. ........................................................... 67

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VLVULAS DE CONTROL. Seleccin y clculoXVI

2.6 .3. Variadores de velocidad, aplicaciones. ........................................ 702.6.4 bombas y variadores (VFD) ........................................................... 73

Referencias bibliogr cas .............................................................................. 77

3. Actuadores y accesorios............................................................................... 793.1. Tipos de actuadores ............................................................................... 793.2. Actuadores neum cos .......................................................................... 79

3.2.1. Diafragma-resorte simple efecto ................................................. 803.2.2. Clculo de actuadores de diafragma. Aproximacin.................... 883.2.3. Cilindros neum cos .................................................................... 913.2.4. Clculo depsito aire auxiliar ....................................................... 933.2.5. Actuadores para vlvulas rota vas .............................................. 933.2.6. Velocidades de operacin en actuadores neum cos. ................. 963.2.7 Accin del actuador y posicin al fallo .......................................... 98

3.3. Actuadores elctricos e hidrulicos. ....................................................... 993.4. Seleccin de actuadores. Datos necesarios.......................................... 105

3.4.1. Importancia del conjunto valvula-actuador-accesorios ............ 1063.5. Accesorios sobre actuadores. ............................................................... 108

3.5.1. Seales de control de aplicacin industrial. ............................... 1083.5.2. Conver dores I/P ........................................................................ 1133.5.3. Posicionadores ........................................................................... 1133.5.4. Posicionadores inteligentes. Prestaciones. ................................. 1213.5.5. Transmisores de posicin. .......................................................... 1273.5.6. Rels neum cos. ....................................................................... 1283.5.7. Electrovlvulas. .......................................................................... 1303.5.8. Finales de carrera. ...................................................................... 1313.5.9. Topes limitadores mecnicos. ..................................................... 1333.5.10. Mandos manuales. ................................................................... 1333.5.11. Reductor alimentacin de aire air set ................................... 134

3.6. Aire para instrumentacin. Calidad y consumos ................................. 134Referencias bibliogr cas ............................................................................ 137

4. La vlvula como instrumento ..................................................................... 1394.1. Introduccin ......................................................................................... 1394.2. Las vlvulas y sus caracters cas de control ......................................... 139

4.2.1. Caracters cas inherentes de los trims ....................................... 1404.2.2. La vlvula en el lazo de control .................................................. 1434.2.3. Caracters ca lineal y ganancia ................................................. 1474.2.4. Caracters ca isoporcentual y ganancia .................................... 1484.2.5. Caracters cas reales o instaladas ............................................. 1494.2.6. Autoridad de la vlvula .............................................................. 1524.2.7. In uencia del sobredimensionamiento ...................................... 155

4.3. Caracterizacin de la vlvula por el trim. ............................................. 155


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ndice XVII

4.3.1. Caracterizacin con posicionadores de levas ............................. 1594.3.2. Caracterizacin con posicionadores inteligentes ........................ 1614.3.3. Caracterizacin en la salida de controlador .............................. 162

4.4. Concepto de rangeabilidad y turndown ................................................ 1654.5. Integracin en el sistema de control .................................................... 168

4.5.1. Posicionadores digitales .............................................................. 1724.5.2. Integracin en los paquetes de ges n (EDDL/PDT) .................. 173

Referencias bibliogr cas ............................................................................ 176

5. Fenmenos sicos en vlvulas de control regulando lquidos ..................... 1795.1. Flujo de lquidos por tuberas y vlvulas .............................................. 179

5.1.1. Derrames laminar y turbulento .................................................. 1815.1.2. Viscosidad absoluta o dinmica y cinem ca. ........................... 1845.1.3. Derrames turbulentos: subcr cos y cr cos ............................... 187

5.2. Aproximacin al fenmeno de cavitacin ............................................ 1915.2.1. Coe cientes asociados a la cavitacin K c ; F L ; X Fz ......................... 1985.2.2. El factor sigma como ndice de cavitacin .............................. 2065.2.3. Proceso de clculo y ejemplo .................................................... 2165.2.4. Criterios de aplicacin de sigma segn po de vlvulas ............ 219

5.3. Cmo afrontar cavitacin y el ash ...................................................... 2235.3.1. Resis r el fenmeno ................................................................... 2235.3.2. Controlar la cavitacin ............................................................... 2255.3.3. Evitar la cavitacin ..................................................................... 2285.3.4. Derrame axial y radial ................................................................ 2295.3.5. Soluciones con vlvulas rota vas ............................................... 2315.3.6. Derrame con vaporizacin- ash, soluciones .............................. 232

5.4. Rgimen bifsico a la entrada de la vlvula .......................................... 2395.5. Ruido hidrodinmico ............................................................................ 240

5.5.1. Proceso de clculo del ruido turbulento y de cavitacin. ........... 241Referencias bibliogr cas ........................................................................... 246

6. Fenmenos sicos en vlvulas de control regulando gases y vapor ............ 2476.1. La regulacin de gases .......................................................................... 247

6.1.1. Rgimen subcr co y cr co. Factores x y xt ........................ 2486.1.2. Factores de expansin y e ym y de compresibilidad- z ........ 250

6.2. Ruido en vlvulas de control ................................................................ 2516.2.1. Sonido y ruido. De niciones y frmulas ..................................... 2536.2.2. Soluciones tcnicas al ruido ....................................................... 259

6.3. Procedimiento de clculo del ruido aerodinmico ............................... 2686.3.1. Proceso de clculo ...................................................................... 2696.3.2. Recomendaciones de montaje ................................................... 2736.3.3. Gases a la atmsfera. ................................................................. 276



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VLVULAS DE CONTROL. Seleccin y clculoXVIII

7. Aspectos mecnicos. Diseos, materiales, fugas ........................................ 2797.1 Partes cons tu vas, normas y materiales ............................................. 279

7.1.1. Normas de referencia ................................................................. 2807.1.2. Niveles diseo cuerpo-tapa ........................................................ 2817.1.3. Materiales para cuerpo-tapa-tornillera .................................... 2827.1.4. Materiales para rganos internos .............................................. 285

7.2. Presin nominal- ra ng ......................................................................... 2887.2.1. Ra ng segn norma ANSI/ASME ................................................ 2897.2.2. Ra ng o presin normal bajo Norma EN-12516 ....................... 2927.2.3. Direc va PED .............................................................................. 2937.2.4. Corrosin y nace ......................................................................... 294

7.3. Conexiones ........................................................................................... 2977.3.1. Tipos de conexin ...................................................................... 2987.3.2. Acabado de caras de bridas ....................................................... 3017.3.3. Otras conexiones ........................................................................ 302

7.4. Atex 94/9/EC para equipos mecnicos (EN-60079) .............................. 3037.5. Estanqueidad ........................................................................................ 304

7.5.1. Cierre obturador asiento ............................................................ 3057.5.2. Aplicacin prc ca de la Norma ANSI/FCI 70.2/IEC-534-4 ......... 3087.5.3. Pruebas de estanqueidad ........................................................... 3097.5.4. Estanqueidad al exterior ........................................................... 3117.5.5. Tipos de estopadas ..................................................................... 3157.5.6. Pruebas de estanqueidad externa y norma va de emisiones .... 3187.5.7. Requisito re-safe ....................................................................... 319

7.6. Fabricacin-Pruebas e inspecciones .................................................. 320Referencias bibliogr cas ............................................................................ 321

8. Frmulas de clculo y procedimientos ....................................................... 3238.1. Datos del proceso a controlar .............................................................. 323

8.1.1. Variables de proceso .................................................................. 3268.1.2. Evolucin de las variables del proceso ...................................... 3288.1.3. Hojas de datos preliminares ....................................................... 332

8.2. El Cv y las frmulas de clculo .............................................................. 3358.2.1. De nicin de Cv y Kv ................................................................... 3368.2.2. Determinacin prc ca del Cv ................................................... 338

8.3. Procedimientos de clculo IEC/ISA ....................................................... 3398.3.1. Frmulas para lquidos ............................................................... 3408.3.2. In uencia conos reductores. Factores Fp y F

Lp ............................ 3428.3.2. Frmulas para gases y vapor ..................................................... 345

8.4 Rgimen bifsico ................................................................................... 3478.4.1. Montaje y piping ........................................................................ 350

8. 5. Frmulas complementarias - Velocidades ........................................... 350


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ndice XIX

8.5.1. Velocidad en lquidos.................................................................. 3518.5.2. Velocidad en vapor y gases ........................................................ 352

8.6. Integracin en programas de clculo ................................................... 353Referencias bibliogr cas ............................................................................ 355

9. Clculo y seleccin de vlvulas de control .................................................. 3579.1. Planteamiento previo al clculo ........................................................... 3579.2. Ejemplos de clculo .............................................................................. 358

9.2.1. Ejemplo con lquido (FV- 001) subcr co..................................... 3599.2.2. Ejemplo con lquido (FV- 002) derrame cr co............................ 3629.2.3. Ejemplo con vapor PV-001.......................................................... 365

9.3. Puntos de anlisis fundamentales durante el clculo .......................... 3689.4. Ms ejemplos de clculo ...................................................................... 370

9.4.1. Clculo con gas (Tag PV-002) ..................................................... 3709.4.2. Vlvula + placa Lo-dB (Tag PV-005) ............................................ 3739.4.3. Venteo con silenciador (Tag PV-006) tem-6 ............................... 3759.4.4. Clculo con ash (Tag FV-080) tem-7 ........................................ 3789.4.5. Clculo rgimen bifsico a la entrada LIQ + sus vapores ........... 3809.4.6. Rgimen bifsico a la entrada lquido + gas (FV-801) tem-8 ..... 382

9.5. Recomendaciones para seleccin del trim y cuerpo. Materiales ......... 3849.5.1. Porcentajes de apertura aconsejables ........................................ 3849.5.2. Materiales para el trim .............................................................. 3869.5.3 Recomendaciones generales ....................................................... 388

9.6. Montaje de vlvulas en serie y paralelo. Aplicaciones ......................... 3909.6.1. Montaje en serie ........................................................................ 3909.6.2. Montaje en paralelo y rango par do ......................................... 3939.6.3. Acciones combinadas ................................................................. 396

9.7. Consejos prc cos generales ............................................................... 3989.7.1. El montaje .................................................................................. 3989.7.2. Sobre el bypass ........................................................................... 400


10. Servicios severos y aplicaciones industriales ............................................ 40310.1. Qu podemos entender como servicio severo................................... 403

10.1.1. Diversas plantas de energa ................................................... 40510.1.2. Principales servicios severos en sector energ co ................. 40810.1.3. La operacin de la planta, su importancia ............................. 40910.1.4. Anlisis del ciclo de condensado y BFW ................................. 41110.1.5. Anlisis del ciclo de vapor ...................................................... 417

10.2. Aplicaciones en re no y petroqumica ............................................... 42210.2.1. Hydrocracker e hydrotrea ng ................................................ 42410.2.2. Exigencias del out gass........................................................... 428


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VLVULAS DE CONTROL. Seleccin y clculoXX

10.3. Otros sectores y aplicaciones industriales.......................................... 43110.3.1. Algunos uidos en qumica industrial .................................... 43110.3.2. Industria alimentaria y sanitaria; azucareras ......................... 437 10.3.3. Tratamiento de aguas ............................................................ 44210.3.4. Papeleras ................................................................................ 447 10.3.5. Fluidos trmicos en plantas termosolares .............................. 450

ANEXO I: Glosario de trminos relacionados con vlvulas de control ............. 455ANEXO II: Normas en relacin con vlvulas de control ................................... 461ndice tem co .............................................................................................. 465


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9CLCULO Y SELECCIN DE VLVULASDE CONTROLSUMARIO: Planteamiento inicial. Ejemplos de clculo con lquidos, con vapor y gases.Factores a analizar cuando se trabaja con un programa de clculo. Infuencia de algunosrequisitos mecnicos y del actuador en el proceso de seleccin. Recomendacionas para laseleccin del trim , cuerpo y sus materiales. Montajes serie-paralelo. Consejos prc cosgenerales.

9.1. PLANTEAMIENTO PREVIO AL CLCULO

De nir una vlvula signi ca dar respuesta a todos los apartados del esquema si -guiente:

Figura 9.1. Esquema de proceso de seleccin

El primer paso (Figura 9.1) vemos que es conseguir las condiciones de trabajo ocondiciones que debe satisfacer la vlvula en el proceso para gobernar la variable acontrolar. Ya adelantamos en el apartado 8.1.1 del Captulo 8, cmo se haca esto; enel esquema de la Figura 9.2 se muestra un resumen de los puntos a de nir.


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VLVULAS DE CONTROL. Seleccin y clculo358

Figura 9.2. Datos para el clculo y seleccin.

Todos estos datos se volcarn adecuadamente sobre una hoja de datos o especi -cacin, con el modelo que haya diseado cada usuario o ingeniera. En las Tablas8.2 y 8.3 del Captulo 8 se muestra un modelo pero las variantes pueden ser muchas.

Una buena hoja de datos debe ser clara, concisa, completa, con todoslos datos e informacin complementaria que permitan al tcnico deinstrumentacin conocer las necesidades de cada aplicacin.

9.2. EJEMPLOS DE CLCULO

Vamos a hacer varios ejemplos de clculo de forma manual para conocer el signi -cado, aplicacin e importancia de cada uno de los trminos, datos y coe cientes queintervienen en las frmulas. De esta manera se pueden entender y utilizar mejor los

programas de clculo de cualquier fabricante.


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359Clculo y seleccin de vlvulas de control

9.2.1. EJEMPLO CON LQUIDO (FV- 001) Subcr co

Vlvula reguladora de caudal FV-001. HC lquido (similar a propano) Pc: 42 bar-a; Tc: 95 C. Temperatura 29 C Gf = 0,50 Pv = 8,5 bar-a. Condiciones de diseo mecnico 30 bar / 150 C. Caudales: 80-155-175 m 3 /h. P 1 = 21 - 20 - 20 bar-a. P 2 = 18 - 19 - 19 bar-a p = 3 - 1 - 1 bar. Tubera: 8 Sch: 40 acero carbono. Estanqueidad Clase-IV p mx. cerrada = 25 bar. Por fallo-abre.

El procedimiento de clculo manual lo vemos a continuacin.

1. Rating necesario

La tubera es de acero carbono luego, dado que es un hidrocarburo, el cuerpo podrser fundido de acero carbono. Acudiendo a las tablas de la norma que se utilice, (lams usada es ASME/ANSI B.16.34), con las condiciones de P/T de diseo, resultaun rating necesario de 300 lbs. Algunos programas de clculo tienen curvas o unaherramienta que permite de nir el rating tanto bajo norma con materiales codi ca -cin ASME como europeos (vase Captulo 7).

2. Tipo de derrame

Por simple observacin de la D p y la Pv podemos deducir que estaremos en presen -cia de un derrame subcrtico, ya que P 2 es muy superior a Pv. Adems, una regla deoro bsica es comprobar si p < 0,5 P 1 ; si esto es as el derrame es subcritico. Otraforma es calcular el F l de proceso a partir de las condiciones de trabajo en la condi -cin de mxima p, usando la ecuacin (5.8).

1 2 21 18 0,491 21 8,5 L v

P P F P P

=

Como el F L crtico de cualquier vlvula tipo globo simple asiento es de 0,90 y enuna bola o mariposa de 0,60-0,65 segn diseos, quiere decir que cualquier vlvula

podr ser usada en esta aplicacin. Por tanto podemos concluir que, en principio,con un F L requerido de 0,49, que es bajo, no habr cavitacin ni ash o vaporizacin.

3. Clculo de Cv preliminar

Usaremos la ecuacin (8.11); trabajando con unidades mtricas, el coe ciente N 1 =0,865


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1 1 2

80 0,537,8

0,865 1 21 18 f

v p

GqC

N F P P = = =

Para aplicar esta frmula 8.11, la di cultad es no poder determinar el factor F pque, como sabemos, lo de ne la in uencia de los conos reductores; depende portanto del tamao de la vlvula respecto a la tubera y de su Cv, cosa que precisa -mente, estamos buscando. Para poder avanzar y hacer un clculo preliminar, se haestablecido suponer que no hay conos reductores, por tanto Fp = 1, vlvula igual ala tubera. Haremos la correccin ms adelante, cuando tengamos ya calculado yde nido el tamao.

Haciendo el clculo con los tres caudales, resultan Cvs = 37,8 - 126,7 y 143,1.

4. Seleccin de vlvulas

Teniendo en cuenta el rating y los Cvs calculados, veamos las vlvulas que se po -dran usar consultando las tablas de Cvs de los fabricantes, mejor dicho, del fabri -cante o fabricantes con los que vamos a trabajar. Estos tipos / y tamaos de vlvulas

podran ser:

Globo rotary : 3 Cv = 130; 4 Cv = 220; 6 Cv = 490. Globo simple asiento: 4 Cv =190; 6 Cv = 400. Guiado por jaula con obturador. Equilibrado (no procede este diseo por baja

presin de entrada y baja presin diferencial). Mariposa: 4 Cv = 450. Sector de bola: 4 Cv = 480. Angular: no procede para esta aplicacin, salvo que sea necesaria por diseo

de tuberas u otras razones.

(Los Cvs indicados anteriormente son los ms estndar de esos tipos y tamaos;deben con rmarse en los catlogos respectivos).

Como criterio general de seleccin no se pondrn cuerpos de vlvulas detamao inferior a la mitad de la tubera de entrada.

Por eliminacin , no usamos tipos sector de bola y mariposa por tener Cvs muygrandes en comparacin con los Cvs calculados inicialmente. Nos quedamos contipo globo simple asiento 4 Cv = 190 o rotary-plug en tamao 4 Cv = 220.

Ahora s podemos calcular el factor Fp (correccin por conos reductores), segn

la frmula (8.15) y los sumandos K (8.16-19).Sustituyendo valores en las diversas frmulas para calcular los coe cientes Kse obtienen: K 1 = 0,281 K 2 = 0,563.


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Aplicando (8.16) K = K 1 + K 2 + K B1 K B2 = 0,844 En este caso K B1 y K B2 , al ser iguales por ser la tubera de entrada igual a la de

salida, se anulan.

1

2 2

4 1 0,936 190 220

2

2 0, 00214; 100

pCv k F con Cv y 0,916 con Cv N d

N d mm

= + = = = = =

Observar que Fp depende no solo del tamao del cuerpo si no tambin del Cv dela vlvula; en la ecuacin hemos puesto Cv = 190 y 220.

5. Clculo fnal de los Cvs requeridos

Sustituyendo estos valores de F p en la frmula de Cv y calculando de nuevo se ob -tiene:

a) Pensando en globo s. asiento 4 Cvs = 40,3 -135,3 - 152,8. b) Con el tipo rotary-plug 4 Cvs = 41,3 -138,4 -156,3.

6. Estudio de aperturas

Se hace la relacin Cvs calculados / Cv vlvula y se establecen los porcentajes decarrera, bien usando las curvas caractersticas o las tablas de los Cvs del fabricante,interpolando cuando sea necesario. Los programas de clculo lo hacen automtica -mente tomando de su memoria el dato que el fabricante ha introducido para sus tiposde vlvulas. En este caso:

Con el caudal q min. 40,3 /190 = 21% de Cv. Sobre las curvas (Figura 9.3) concaracterstica lineal trabajar al 21% y con caracterstica isoporcentual al 60%. (------)

Repitiendo este mismo clculo para todas las condiciones y con las dos vlvulas

seleccionadas, se pueden saber los % de apertura y situar la zona de trabajo de cadargimen de caudal. Para simpli car, en la Figura 9.3 se indican los porcentaje deapertura mnimo y mximo solamente, en cada caracterstica.

A la vista de los porcentajes de apertura se comportan mejor la rotary-plug queestara 24%-68% abierta, y la de globo simple asiento entre 20%-80%, con caracte -rstica lineal.

No se debe usar, en este caso, la isoporcentual, ya que trabajara muy abierta:60%-94%. Si queremos usar isoporcentual habra que poner cuerpo de 6 con msCv. Para hacer un estudio de caracterstica y ganancia instalada, habra que conocer

la respuesta hidrulica del circuito y de nir el coe ciente de distorsin P R (vaseFigura 4.13, Captulo 4). Si P R estuviera en 0,25-0,50 la distorsin es pequea y lasganancias son estables.


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Figura 9.3. Zonas de trabajo.

Velocidad de salida

Para el cuerpo de 4 seleccionado, aplicaremos la ecuacin (8.29)

V (m/seg) = 0,54 Q / d 2

Sustituyendo los tres caudales resultan unas velocidades de 2,75-5,3-6,0 m/s, queson valores perfectamente aceptables.

Finalmente, dada la condicin de derrame subcrtico no merece la pena veri carla posibilidad de cavitacin incipiente ni por tanto el ruido hidrodinmico. Por otra

parte, hacerlo de forma manual resulta laborioso. Usando un programa de clculo secomprueba que el ruido no supera los 60 dBA.

El proceso de seleccin se debe completar con la de nicin del actuador: tama -o, gama de resorte, presin de alimentacin, teniendo en cuenta la clase de cierre ydelta-p de cierre especi cada (vase Figura 3.1 y Apdo. 3.4.1, Captulo 3) Normal-mente el usuario no tiene todos los datos para seleccionar el actuador, debe hacerloel fabricante.

Si los tipos y tamaos de vlvula que se seleccionen no cumplen los requisitosadecuados en cuanto a porcentaje de carrera, velocidad y ruido, habra que elegirotro tipo y tamao y rehacer los clculos desde el punto 4.

9.2.2. EJEMPLO CON LQUIDO (FV- 002) DERRAME CRTICO

Ser el mismo uido anterior pero con diferentes condiciones de presin.

Vlvula Item: FV-002 HC lquido (similar a propano) Pc: 42 bar-a ; Tc: 95C T 29 C G f : 0,50 Pv: 8,5 bar-a


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Condiciones de diseo mecnico: 30 bar/150 C. Caudales: 80 - 155 - 175 m 3 /h. P 1: 21 - 20 - 20 bar-a. P

2: 9 - 11 - 15 bar-a.

p = 12 - 9 - 5 bar.

Repetimos los pasos anteriores de forma ya ms simpli cada.

1. Rating necesario

El mismo de 300 lb.

2. Tipo de derrame

Observando las prdidas de carga debemos intuir que con caudales Min. y Nor. pue -de haber situacin crtica. Analizamos las ps.

p proceso: (P 1- P 2 ) = 12 10 5 barp crtica =F L

2 (P 1 Pvc) ; Pvc = F F Pv ; F F = 0,834

Sustituyendo p crtica = 0,90 2 [21 (0,834 8,5)] = 11,2 bar.Como la p de proceso (12) es mayor que la p crtica (con una vlvula estndar

Fl = 0,9), el derrame ser crtico y necesitaremos un trim especial anticavitacin conmayor F L que el 0,90 tomado para el clculo.

Tambin podramos calcular el F L de proceso a partir de las condiciones de trabajo en la condicin de mxima p, usando la ecuacin (5.8).

1

1 2 21 90,93

1 21 7,09 P P

F P Pvc

= = =

Como el F l crtico de cualquier vlvula tipo globo simple asiento es de 0,90, quieredecir, que cualquier vlvula con un Fl < a 0,929 cavitar = derrame crtico. Por

tanto usaremos la ecuacin (8.13) para el clculo del Cv.

3. Calculo de Cv preliminar

Aunque sabemos que el derrame es crtico, en el clculo preliminar se trata de co -nocer la magnitud aproximada de los Cvs necesarios, para despus elegir tipo ytamao del trim . Aplicando 8.11 suponiendo de momento vlvula igual a tubera:FP =1.

80 0,50

0,865 1 2 0,865 1 21 9 f

v p

GqC F P P = =

Sustituyendo valores en esta ecuacin resultan Cvs = 19 - 42,3 - 64.


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4. Seleccin de vlvulas

Conocidos estos valores previos de Cvs y que se necesita un trim anticavitacin,hemos de buscar el diseo adecuado en los catlogos de fabricantes que tenga un co -e ciente F L > 0,93 dentro de un cuerpo de 300#, tamao () a elegir, para ser montadosobre tubera de 8. El razonamiento sera:

Descartamos vlvula + restrictor pues, para esta aplicacin ser su ciente yms econmico un trim para control de cavitacin o anticavitacin.

Descartamos tambin mariposas, bolas y globo rotary por su bajo F L. Un trim para control de cavitacin en una vlvula globo simple asiento des -

equilibrada, debera ser FTClose, en un posible tamao de 6 o 4 Pero estaopcin puede requerir un actuador muy grande y costoso para trabajar con lamxima presin diferencial dada = 12 bar.

Optamos por una vlvula de trim equilibrado, guiada por jaula con coe cien -te FL = 0,94, paso reducido con Cv nominal = 82 Se puede poner dentro de uncuerpo de 4 - 300#. Inicialmente con caracterstica lineal.

5. Clculo fnal de los Cvs requeridos.

Con esta preseleccin podemos ya hacer un clculo nal y analizar resultados. Seaplicar la frmula (8.13).

0,865 1 f

LP F v

GqCv

F P F P =

Como el cuerpo es de 4 sobre lnea de 8 (no se debe reducir ms), hay que usarFLP en lugar de F L. Ecuacin (8.21).

12 2 2

11 14

2

1 L V LP L B K F C

F F Ki-"Head loss Coefficient" K K N d

= + = +

Calculando Ki (8.17 y 19) y sustituyendo valores, resulta F LP = 0,939.Sustituyendo valores en (8.13) se obtiene un Cv = 18,7 a caudal mnimo.Para los caudales normal y mximo, deberamos usar la ecuacin 8.11 ya que los

derrames son subcrticos. Se obtienen unos Cvs = 42,8 y 64,8

6. Estudio de aperturas

Igual que en el ejemplo anterior analizaramos los % de carrera por curvas o con

catalogo de fabricante. En este caso la vlvula seleccionada de 4 con Cv = 82 traba - jara a: 23 % - 51,7% - 79 % que son buenas aperturas.

(8.13)


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7. Velocidad de salida

Se aplicara la misma frmula del ejemplo anterior con la frmula (8.29).

8. Ruido hidrodinmico

Mediante programa informtico se comprueba que el ruido no supera los 70 dBA.

9.2.3. EJEMPLO CON VAPOR PV-001

Vlvula reductora de presin. Vapor recalentado T: 280 C. Condiciones de diseo: 50 bar / 350 C. Caudal W: Nor. 40 Max. 55 T/hora. P 1: 37@ caudal Nor. y 40@ caudal Mx. bar(a). P 2: 17 bar(a). Tubera: 6 Ac. Carbono Sch-80. Estanqueidad Clase V Por fallo cerrada Delta-p cierre 45 bar.

Rating

50 Bar- 350 C acero carbono A-216 WCC 600# (Vnse tablas, curvas derating ANSI B 16.34).

1. Tipo de derrame

p proceso: 37 17 = 20 bar. 40 - 17 = 23 bar.

El factor X T para gases viene en algunos catlogos en funcin del %-aperturade la vlvula. En la prctica se puede seguir trabajando con el F L ya que en generalresponde a la ecuacin X T = 0,84 F L 2 aproximadamente para vlvulas de una etapa.

Como no sabemos an qu vlvula necesitamos, tomamos para el clculo preli -minar un F L =0,90. El valor de X T ser 0,68; vlido si la vlvula es igual a la tubera;si no fuese as, habra que calcular X TP, pero no podemos aplicar an la ecuacin(8.22) por falta de datos como el dimetro-d de la vlvula; tambin faltan Fp y el Cv.

Valor de k para vapor a 280 C = 1,27 (Tabla 6.1).

Fk = k/1,40 = 1,27 / 1,40 = 0,91p crtica: F k X T P 1 = 0,91 0,68 37 = 22,90 subcrtico por ser la p del

proceso (20 bar) < a la p crtica (22,90 bar).


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Repitiendo con P 1 = 40 la p crtica = 24,75 y el derrame es subcrtico tambin.Como p proceso < p crtica, el derrame es subcrtico en ambos casos aunque

puede haber problema de ruido.

3. Clculo del Cv preliminar

Aplicamos la frmula (8.25) de caudal en peso, como siempre suponiendo Fp=1 ycalculando el factor Y Vamos a hacerlo para la condicin normal solamente.

6 1 1

1

4.0000113

27,3 1 0,71 0,541 37 16,67

0,5411 1 0,71

3 3 0,91 0,6820

0,54137

p

T

wCv

N F Y x P

xY

Fk x p

x P

= = =

= = =

= = =

1 = peso espec co del vapor a 280C y 37 bar = 16,67 (a 40 bares es 17,85 -Vanse tablas vapor de agua).

Introduciendo estos valores en la frmula del Cv se obtiene un valor inicial de113 para caudal normal. Similar proceso habria que seguir para el caudal mximo 55

T/h. que da un Cv = 144,3.Para simpli car el ejemplo, usando un programa de clculo se comprueba que el

ruido preliminar se sita en 94-98 dbA.Tenemos que encontrar un trim diseo Lo-dB con unos Cvs ligeramente supe -

riores a los precalculados (113-144) con posibilidad de trabajar a 280 C y tener uncierre Clase-V. Cuerpo acero carbono 600# en tubera de 6.

4. Seleccin de vlvula

Por estanqueidad, y nivel de Cv prescindimos de mariposa, bola, rotary-plug . Noscentramos en tipo globo. Revisando catlogos, y teniendo en cuenta tambin la p decierre, una vlvula de globo con obturador desequilibrado, Figura 2.17, tendr limi -taciones de estanqueidad y requerir un actuador grande y especial. Nos centramosen vlvula de 4 o 6 equilibrada, guiada por jaula con trim Lo-dB de una etapa,de momento.

Comprobamos el nmero de Mach en 4 para ver si estamos 0,30 Podemos usarlas ecuaciones (6.10) o (6.12) que es ms directa.

( ) ( )2 22

1.380 1 0, 00126 1.380 40 1 0, 00126 34 0,3317 100

w Tsh N Mach P d

+ + = =

Este es el nmero de Mach con caudal normal; con caudal mximo ser mayor.


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Su valor es superior a 0,3. Por tanto tenemos que usar cuerpo de 6 con trim Lo-dB.Ahora hay que probar primero con una etapa, para ver si reduce el ruido hasta los 85dBA que es lo requerido habitualmente. Sera necesario aplicar todo el proceso declculo de ruido aerodinmico, que como se vio en apartado 6.3.1 y Figura 6.15, esun tanto largo y laborioso para hacerlo manualmente. Usando un programa inform -tico resulta que con una sola etapa (jaula multiori cio) se alcanzan los 90-92 dB.APor lo tanto es necesario usar doble etapa, es decir dos jaulas. La construccin de dosetapas puede ser diferente de unos fabricantes a otros, por lo que las soluciones tc -nicas dependen segn sea el fabricante con el que estemos trabajando (Figura 6.11).

Finalmente, optamos por Trim Lo-dB de dos etapas con Cv =145 lineal, con uncoe ciente F L = 0,95 en cuerpo de 6- 600# Con esta solucin el nivel de ruido esde 82-84 dB.A.

5. Clculo Cvs fnales y correccin por conos

En este caso, como la vlvula es igual a la tubera no hay correccin y Fp = 1. Portanto los Cvs son los calculados anteriormente, se recalculan ahora con el trim se-leccionado y resultan Cv = 100 - 124.El nmero de Mach con 6 = 0,15 - 0,21, por lo que no hay ruido en la brida de salida.

6. Porcentajes de carrera

Haciendo lo mismo que en ejemplos anteriores, con gr cos o tubos de Cv.100 / 150 = 0,67 67% 124 / 150 = 0,83 83% que son muy aceptables.

7. Materiales

Teniendo en cuenta la temperatura, la presin diferencial y el nivel de estanquei -dad, debemos poner atencin en los materiales del trim , vstago y estopada. Para eltrim se exigirn aceros inoxidables duros, por tratamiento trmico, o endurecidos.El material del vstago ser adecuado al esfuerzo requerido y a la temperatura, locon rmar el fabricante.

El tipo de estopada depender del diseo de la tapa en cuanto a su longitud. Otraobservacin hay que hacer sobre el tipo de juntas de cierre entre obturador equilibradoy jaula. Estamos trabajando con 280 C, por lo que no pueden ser blandas de PTFE.Segn sea el diseo de cada fabricante estas juntas pueden o no conseguir la estanquei -dad de cierre requerida, que en este caso es la mxima de clase V (vase Captulo 7).

8. Elegir actuador

Por parte del fabricante. Para este caso deber tener en cuenta todas las fricciones, laestanqueidad solicitada y la p de cierre - 45 bar.


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Otras opciones

1. En primer lugar, si por la temperatura de trabajo no hay juntas adecuadas entreobturador y jaula, habra que optar por un obturador pilotado; (vase Captulo2). La vlvula sera distinta y habra que recalcularla a partir del paso -4.

2. Otra opcin es usar una vlvula estndar + placa o atenuador de ruido situadoaguas abajo. Adems de repartirse la p total entre vlvula y atenuador, estereduce el ruido. Sera necesario comprobar si se puede usar de 6 al ser esteel tamao de tubera aguas abajo.

Lo ms normal es que resulte mejor solucin vlvula Lo-dB de una etapa + res -triccin atenuacin aguas abajo. Esta solucin podra tener mejor coste. Hay quecomprobarlo con los fabricantes.

9.3. PUNTOS DE ANLISIS FUNDAMENTALES DURANTE EL CLCULO

En los ejemplos precedentes hemos visto cmo es el procedimiento de clculo ma -nual. De esta forma debemos entender la importancia de cada dato de clculo tieneas como los diferentes parmetros que intervienen en el proceso.

Durante este proceso de seleccin hay que tener en la memoria los pasos 1 a 4 queya adelantamos en el apartado 8.1; los reproducimos en la Figura 9.4.

El objetvo no es calcular unos Cvs, sino seleccionar la vlvula msadecuada para la aplicacin que estamos estudiando.

Ms adelante se presentarn otros ejemplos de clculo pero usando un programainformtico. Fijaremos la atencin en algunos puntos que son fundamentales parade nir la vlvula. Este anlisis se har sobre la pantalla del programa de clculo queestemos usando. De esta forma estaremos en condiciones de saber leer e interpre -tar las hojas de clculo que forman parte de una propuesta y oferta tcnica de losfabricantes y saber evaluar las diferencias de unos a otros.

Para la seleccin prctica de una vlvula de control hay que seguir un itinerariomental que comprende varios puntos relacionados entre s.

Es necesario mantener todos estos puntos presentes durante la seleccindel trim , del cuerpo y de todos los materiales, as como del actuador.


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Figura 9.4. Cuatro pasos iniciales.

El itinerario de seleccin ser el siguiente:

1. Defnir el rating. Conocer el rating y tipo de conexiones nos servir para in -tuir en que vlvulas poner la atencin; por ejemplo: alto rating o conexionessoldadas pueden excluir vlvulas de bola, mariposa y rotativa excnrica.

2. Analizar el derrame. Nos avisa si debemos pensar en trims especiales.3. Clculo preliminar del Cv. Observar el F

Lrequerido, las velocidades y el ni -

vel de ruido. Con esto ya tenemos una informacin sobre qu tipo de trim podemos necesitar: estndar, anticavitacin, Lo-dB. Aqu hay que hacer una primera seleccin del tamao y tipo del trim , que condiciona el tamao delcuerpo, en de nitiva, el tipo de vlvula.

4. Nuevo clculo del Cv y anlisis. Se aplicar la ecuacin que corresponda conlos coe cientes Fp; F L; Y; X T; etc. para la vlvula seleccionada. Se observa-rn los valores de: % apertura; F L instalado a esos porcentajes de apertura;nivel de ruido; velocidades; nmero de Mach; etc., que deben ser correctos.

5. Condiciones de trabajo para la fabricacin de la vlvula. Mientras se hacenlos pasos anteriores hay que tener en la mente las condiciones mximas de: Presin de entrada. p mxima en el proceso trabajando.


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Temperatura mxima. Clase de cierre. p de cierre. Equilibrado o desequilibrado, multietapa, etc.

El trim que se elija debe ser adecuado a estas presiones y temperatura.Puede ocurrir que haya que cambiar la opcin elegida por no ser compatiblecon alguno de los datos anteriores.

6. Verifcar actuador. En algunos programas de clculo se puede seleccionarun determinado tipo de actuador adecuado al trim y cuerpo seleccionado.Puede suceder que resulte una actuador especial, de alto coste, un vstagotambin de material especial o incluso que no haya actuador adecuado, enfuerza, carrera o velocidad de operacin. De ser as tendramos que seleccio -

nar otro tipo de trim y posiblemente de vlvula. Esto suele ocurrir con vlvu -las desequilibradas de cierto tamao y resulta mejor usar trims equilibrados,tipo jaula, que son ms fcilmente operables, sobre todo con actuadores demembrana-resorte.

El proceso de seleccin no es lineal ni progresivo. Muchas veces hayque recorrer un camino, analizar resultados, y emprender una nuevabsqueda, hasta llegar a la solucin p ma.

9.4. MS EJEMPLOS DE CLCULO

Hemos hecho unos primeros clculos de forma manual. Ahora seguimos con otrosejemplos de aplicacin utilizando la pantalla de un programa de clculo virtual,

parecida al rea de trabajo que nos ofrecen los diversos programas de los fabrican -tes. De esta forma se simpli ca el proceso aunque lo verdaderamente importante esanalizar los resultados y tomar decisiones.

9.3.1. CLCULO CON GAS (Tag PV-002)

Funcin: reductora de presin. Item-4 Cond. de diseo: 15 kg/cm 2 - 50 C. Por fallo cerrada. Clase IV. p cierre =10 kg/cm 2. Tubera: entrada = 4 salida: 6 Sch- 10 S. Ac carbono. Con bridas RF. Fluido: gas natural. T 20-20-25 C; peso molecular: 19,5; Z = 0,98; k = 1,27. Caudales: 3.500 - 4.500 - 6.100 Nm 3/h. P 1 = 6 - 5 - 5 k/gcm

2 -g. P 2 = 1 k/gcm

2 -g.

1. Clculo preliminar:Se introducen los datos en el programa para ver el clculo preliminar,

obtenindose los siguientes resultados (no se muestra esta pantalla del pre -

calculo y seleccion de valvulas de control (campos)

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