Curso Válvulas de Control

AADECA 2005Ing. Eduardo Néstor Álvarez

Dimensionamiento

Dimensionamiento de Válvulas de control

ANTECEDENTES

1960 Primer Antecedente FLUID CONTROL INSTITUTE

1967 ISA establece un comité para el desarrollo y publicación de ecuaciones normalizadas de dimensionamiento.

Norma de referencia ANSI ISA S 75.01 que se asemeja a la IEC 534-2-1 y 534-2-2

APROXIMACIÓN TEÓRICA BÁSICA PARA LÍQUIDOS

Variables en el flujo incompresibleUsaremos estos nombres en lo que sigue

P = Presión

γ = Peso Específico

V = Velocidad

h = altura geométrica

g = aceleración de la gravedad

Entonces teniendo en cuenta la conservación de la energía

Ecuación de ContinuidadCaudal = Q = A1 V1 = A2.V2Como A2 < A1 entonces V2 > V1Relación de Diámetros ß = D2 / D1

Relación de Áreas ß2 = A2 / A1

Bernoulli

P/γ + V2 / 2g + h = cte O bien:

P1/γ + V12 / 2g + h1 = P2/γ + V2

2 / 2g + h2

Continuidad

Usaremos la ecuación de continuidad para eliminar V1 y poder despejar V2 para deducir el caudal que pasa.

A1 V1 = A2.V2

V1 = V2 .( A2/ A1)

Pero ß2 = A2 / A1

Entonces V1 = V2 . ß2

Coeficiente de FlujoQ = Área2 x Coeficiente x Velocidad2

Por continuidad V1 = V2 . ß2

Y reuniendo por Bernouilli y Continuidad

V2 = [(2g x(P2 -P1 )/γ )½ ]/( 1 – ß4 ) ½

V2 = [2g x(P2 -P1 )/(γ/ γH2O)]½ ]/[( 1 – ß4 ). γH2O ]½

Y siendo GF = (γ/ γH2O)

Q = Área x Coeficiente x (2g x(P2 -P1 )/ GF )½

Coeficiente = C /[( 1 – ß4 ). γH2O ]½

Coeficiente de Flujo

Donde C = coeficiente de descarga.Agrupando

CV = Área x C x (2g)½ /C /[( 1 – ß4 ). γH2O ]½

Resulta Q = CV (( P2 -P1 )/ GF )½Expresión teórica para Líquidos

CV = coeficiente de Flujo de la Válvula

Dimensionamiento de Válvulas

Q = CV (( P2 -P1 )/GF)½

o sea CV = Q/ (( P2 -P1 )/GF)½

Podemos decir que el Cv es el caudal que circula cuando GF es unitario (agua) y P2 -P1 también .

A esta expresión se la corrige de diversos modos para el cálculo de la capacidad necesaria de las Válvulas en diversos estados de carga y para distintas fases.

Cv Kv

CV = Q/ (N1.Fp.( P2 -P1 )/GF)½ (Cálculo en Volumen)

CV = W/ (N6.Fp.( P2 -P1 )/γ)½ (Cálculo en Masa)

Cv calcula con caudal en gpm y presión en psia

Kv = (0.865). Cv

Kv calcula con caudal en m3/h y presion en bar

Dimensionamiento de VálvulasEl caudal en forma práctica y de acuerdo a la normativa se calcula

entonces así.

Donde

N1 como veremos depende de las Unidades,

Fp es el factor de Cañería ,

Gf es la relación del peso específico del fluido respecto de la del agua.

Datos , Selección y Dimensionamiento 1

Primer Paso Buscar valores y calcular :

Características del Fluido ν, Pv, Pc, Gf

Caidas de Presión , P1 , P2, DP

Temperaturas , T1

Rangos de Control Qmáx, Qnorm, Qmín

Compatibilidad con materiales de juntas y cuerpo de las Válvulas

Características del Fluido

Primer Paso Buscar valores y calcular :Características del Fluido ν, Pv, Pc, Gfν: viscosidad cinemática

Pv: presión de vapor

Pc : Presión Crítica

Gf: Relación de Peso específico del fluido en las condiciones de Proceso respecto del agua en las mismas condiciones.

Presiones Temperatura y caída de Presión

Primer Paso Buscar valores y calcular :

Caidas de Presión , P1 , P2, DP

Temperaturas , T1

P1 :presión de entrada

P2: presión de salida

DP= P1 - P2 Caída de presiones en la Válvula

T1 : Temperatura de entrada

Rangos de Control y Compatibilidad

Qmáx, Qnorm, Qmín

Qmáx, Qnorm, Qmín caudales en las condiciones de máximo, normal y mínimo de funcionamiento del proceso

Compatibilidad con materiales de juntas y cuerpo de las Válvulas

Zona de Trabajo Válvula

Segundo Paso:Determinar el coeficiente de Corrección de unidades ( hay tablas

para usar el adecuado), N1 volumen, N6 masa

10,865

0,0865

gpmm3/hm3/h

barpsia

kPaN1

Tercer Paso:Determinar el Factor de corrección por geometria de la Cañería (

Piping ) Fp , solo si hay accesorios o reductores directamente fijados a la entrada y/o salida de la válvula.Si no hay tales , el factor es 1. En el caso de válvulas rotatorias con reductores incluidos este factor ya se incluye en el Cv de la válvula.

Tabla de Coeficientes

Cuarto Paso:

Determinar el Caudal Limite Máximo o bien el correspondiente

DP máx

para considerar la posibilidad de un flujo ¨Ahogado¨ por las condiciones del proceso. Tipico problema de la Vaporización por pasar por una presión mas baja que Pv .

Quinto Paso : Determinar el Cv

Cv de la válvula para líquidos y caudal volumétrico usamos la siguiente ecuación.

CV = Q / {N1 .Fp .[(P1 - P2 )/Gf ]½}

Paso seis : elegir la válvula que cubra este CV

Es necesario entonces buscar en tablas o calcular Fp

Determinación de Fp

Es mejor usar datos de los fabricantes determinados experimentalmente , de lo contrario se deben determinar los coeficientes K de los accesorios y el factor ß a partir

de lo cual se calcula así

Fp = [1+ (CV / d2 ) . (ΣK / N2 )]-1/2

N2 depende de las unidades (mm o pulgadas)

d : diámetro nominal propuesto de la válvula

Cv es el máximo de la válvula propuesta

Donde ΣK = K1 + K2 + Kß1 - Kß2

K1 , K2 son los coeficientes de pérdida de carga de los accesorios a la entrada y salida de la válvula

Kß1 , Kß2 son los coeficientes de Bernouilli a la entrada y a la salida de la válvula

K1 K2

Para el caso mas usual de un reductor concentrico corto los valores son

K1 = 0,5 * ( 1 – d/D12 ) 2 a la entrada

K2 = 1,0 * ( 1 – d/D22 ) 2 a la salida

D1 = diámetro de la cañería aguas Arriba

D2 = diámetro de la cañería aguas Abajo

d = diámetro de la válvula

Kß1 , Kß2 son los coeficientes de Bernouilli a la entrada y a la salida de la válvulaSus expresiones son:

Kß1 = ( 1 – (d/D1)4 )

Kß2 = ( 1 – (d/D2)4 )

D1 = diámetro de la cañería aguas Arriba

D2 = diámetro de la cañería aguas Abajo

d = diámetro de la válvula

K1 +K2

Para una válvula instalada con reductores idénticos en la entrada y la salida queda

ΣK = K1 + K2

dado que los efectos de los coeficientes de Bernoulli se compensan cuando son iguales.

Si son iguales D1 Y D2

K1 +K2 = 1,5 * ( 1 – ß12 ) 2

Determinar N2

inch890

mm0,0214

LongitudesenN2

Flujo ahogado “choked”

Q = CV. (P1 - P2 )/Gf Ecuación 1

Determinación del caudal límite Qmáx

Qmáx = N1 x FL x CV x((P1 -FF x Pv )/GF )½

Donde : FF = 0,96 – 0,28 x (Pv / Pc )½

Pv / Pc = relacion entre presión de vapor y presión crítica(abs)

Determinación del caudal límite Qmáx

FL = Factor de Recuperación , dato de la válvula elegida

Si la válvula se instala con accesorios reductores se usa en lugar deFL el cociente entre FLP / Fp donde:

FLP = [1 / (FL ) 2 + (CV / d2 ) 2 . (K1 / N2 )]-1/2 )

Donde K1= K1 + KB1

Con K1 = Coeficiente de pérdidas de Carga en los accesorios aguas arriba

Donde KB1 = Coeficiente Bernoulli aguas arriba (entrada)

Ejemplo de Tabla de Coeficientes de VálvulasLas casas comerciales publican los coeficientes para el cálculo,determinados experimentalmente , los incluyen también en sus

programas de dimensionamiento.

Determinación del DeltaP límite ∆ Pmáx

(allowable sizing pressure drop)

Considerando sin accesorios será

∆ Pmáx L = FL2 (P1 - FF x Pv )

Cuando hay accesorios

∆ Pmáx LP = (FLP / Fp )2 (P1 -FF x Pv )

Determinación del DeltaP límite ∆ Pmáx

Donde : P1 = presión absoluta en la entrada

Pv = Presión de Vapor Absoluta a la temperatura de entrada

Si ∆ Pmáx < (P1 –P2)

Se debe recalcular todo con ∆ Pmáx

Puesto que eso indica que habrá flujo “ahogado”

Pv

Alta y Baja Recuperación

Ejemplifica la figura la

diferencia entre válvulas

de alta recuperación

de presión respecto de las

de baja.

Cavitación y Flashing

Ensayo Dinámico de Válvulas en Laboratorio

Relación Cv Kv

Cd

2

V

4891K

•=

KdCv

29,29 •=

Características Inherentes

VARIACIÓN DE FLUJO EN FUNCIÓN DE LA ELEVACIÓN DEL VÁSTAGO COMO FRACCIÓN DE LA ELEVACIÓN MÁXIMA PARA UN DELTAPRESION CONSTANTE

Características Instaladas

Cuando la Válvula actúa modifica el Delta P que ve en el procesopor lo cual la característica difiere de la inherente que es a DeltaP constante

Selección de la característica para Nivel de LíquidosCaracterística

inherente recomendadaRelación de Delta P con la carga

LinealDelta P constante

LinealDisminución del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es mayor que el 20% del Delta

P de carga mínima

Porcentaje IgualDisminución del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es menor que el 20% del Delta

P de carga mínima

Apertura RápidaAmento del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es mayor que el 200% del Delta P

de carga mínima

LinealAmento del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es menor que el 200% del Delta P

de carga mínima

Estos son lineamientos generales , puede haber excepciones.

Selección de la característica para control de caudal

Característica Inherente RecomendadaUbicación de la

Válvula respecto del elemento de

Medición

Señal de medición de caudal al controlador

Proporcional al cuadrado del

caudal

Proporcional al caudal

En By Pass (1)

En Serie

En By Pass (1)

En Serie

Variaciones Pequeñas desde el Set Point pero con

variaciones grandes de DeltaP cuando se aumenta

la carga

Variaciones

grandes desde

el Set Point

Porcentaje igualLineal

Porcentaje igualLineal

Porcentaje igualPorcentaje igual

Porcentaje igualLineal

(1) Cuando la valvula se cierra la medición sube en el Transmisor

La válvula ideal para el control lineal sería la de característica inherente del mismo nombre, pero en general cuando esta se instala y según la relación de pérdida de presión en la válvula respecto de la pérdida dinámica total en la línea, la característica instalada tiende a ser semejante a una válvula de apertura rápida.

Sin embargo que la deformación de la característica de la válvula porcentaje igual tiende a dar valores aptos para el control en la zona central del recorrido del obturador. Con lo cual esta característica se hace la opción apropiada cuando la relación indicada es de valor pequeño

Presiones que soportan las distintas clases clasificadas respecto de la temperatura Para Cuerpos de Cr Mo .

clases clasificadas

Pérdidas En las Válvulas

• Clasificación de las Válvulas por las Perdidas• Norma ANSI/FCI 70-2-1991 (Antes ANSI B16.104-1976)Esta norma determina las clases de asiento segun sus pérdidas

y los correspondientes procedimientos de ensayo.Se debe constatar de ser necesario que el fabricante cumpla la

clase solicitada en la válvula a proveer por ejemploClase ANSI I , II, III, IV, V , VI Cada clase tiene un límite de pérdidas permitido dado por la

norma

Pérdidas En las Válvulas

ANSI I-VI Ejemplo:Válvula globo de 3”, CVmax 1000 GPM

I - No se exige Ensayo de Pérdidas ---II - 0.5% Capacidad Promedio 5 GPMIII - 0.1% Capacidad Promedio 1 GPMIV - 0.01% Capacidad Promedio 0.1 GPMV - 0.0005 mL/min/in. port dia./psi 0.15 mLVI - Gotas/min por el tamaño del asiento 6 Gotas/min

RANGEABILITY

El cociente entre los caudales máximo y mínimo que deja pasar una válvula cumpliendo con su curva característica

RL = RH . (α ) ½ α = ∆ Pmín / ∆ Pmáx

RESOLUCIÓN:

La menor variación de la posición del vástago y por ende de caudal en respuesta a una acción de control. El recorrido de una vávlula globo se podrá dividir en 60 si la

válvula funciona sin posicionador .

Hoja de especificac

iones

Hoja de especifica

ciones

Hoja de especifica

ciones

Hoja de especifica

ciones