VLVULAS DE CONTROL BUCLES DE CONTROL

VLVULAS DE 2- vas

Caracterstica de la vlvula de control

La caracterstica esttica de una vlvula de control se define como la relacin entre el caudal que circula Q y la posicin del actuador ( normalmente la elevacin del vstago de la vlvula), ambas expresadas de forma relativa ( % de su valor mximo).

Para una vlvula lineal el caudal Q(%) es proporcional a la elevacin L(%) de la vlvula.

Como se vio los intercambiadores no tienen una relacin lineal P(Q) entre el caudal que circula por ellos Q y la potencia que transmiten P. Por ello si queremos una relacin lineal final entre la potencia emitida y el levantamiento de la vlvula se debe elegir una caracterstica de la vlvula Q(L) que compense la caracterstica de emisin del intercambiador como muestra la figura:

As si se combinan ambas P(Q(L)) =P(L) se puede expresar Potencia%(Elevacin de la vlvula).

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

102030405060708090

100Fraccin de la potencia nominal

fraccion del caudal nominal

Potencia(%)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

102030405060708090

100Kv/Kvs

Elevacin del vstago de la vlvula

Q(%

)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

102030405060708090

100

Elevacin del vstago de la vlvula

Pote

nci

a (%

)

Que es una relacin aproximadamente proporcional y permite un control sencillo.

La caracterstica no-lineal de la vlvula de la figura se llama de igual porcentaje (EQ%) y suele ser la ms utilizada. Corresponde a una ecuacin como sigue.

)1(100(%) = ElevacinaeKvsKv

dnde a suele valer entre a=3.22 y a=3.5 y la elevacin es en tanto por uno [0,1].

Cuando la elevacin es 0 (0% abierta=cerrada), se observa que el Kv no es nulo, queda un flujo residual.

KvseKvsKv a == 03.0/

de modo que cuando el caudal es ( en la realidad) un 4% del caudal mximo (Kvs) la vlvula es incapaz de regular el caudal.

Lo ideal sera tener una vlvula con la inversa de la caracterstica del intercambiador. Algunos fabricantes dicen tener dichas vlvulas. Las caractersticas son:

25.01/125.0100(%)(%)

+==

ElevacionEQM

KvsKv

( )1

1100(%)(%) 77.277.2

==e

eCysseauKvsKv Elevacion

La grfica siguiente muestra la comparacin entre ellas ( Rojo- EQ %(igual porcentaje) ,azul-EQM(%) (igual porcentaje modificada) , negro-Cysseau&)

Se observa que la diferencia est en caudales por debajo del 4% del mximo.

AUTORIDAD DE LA VLVULA DE CONTROL

Definicin convencional de autoridad de una vlvula

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

102030405060708090

100

Elevacin del vstago de la vlvula

Pote

nci

a (%

)

La caracterstica esttica de una vlvula se define para una presin diferencial (salto de presin esttica) a travs de la vlvula constante.

Normalmente , en las instalaciones , esto no es cierto y la caracterstica de control de la vlvula cambia y no es la terica que se ha visto en el punto anterior.

Cuando la vlvula est totalmente abierta, est sometida a la presin diferencial mnima Pmin, que es igual a toda la presin disponible menos las cadas de presin en el terminal, las tuberas y otros accesorios. Cuando la vlvula est cerrada, la cada de presin en el resto de elementos es despreciable y el flujo tiende a cero. Toda la presin diferencial disponible la soporta la vlvula de control Pmax.

(ver figura)

La vlvula se dimensiona para Pmin

, ya que es la presin diferencial disponible para generar el flujo mximo de diseo cuando la vlvula est totalmente abierta.

Cuando la vlvula est prxima a cerrar, al estar sometida a una presin mayor que la de diseo (Pmin Pmax) y por lo tanto pasar ms caudal que el que le corresponde para ese grado de apertura si la presin diferencial se hubiera mantenido en Pmin. Como resultado la caracterstica esttica de la vlvula es distorsionada. El grado de distorsin (forma de la caracterstica) lo indica el parmetro , llamado autoridad de la vlvula.

max

min

PP

=

ATENCIN: esta definicin es relativa, ya que mide el salto en la vlvula de control respecto del salto total. Si aumenta el salto total Pmax el salto mnimo Pmin aumenta en la misma proporcin y por lo tanto la autoridad es la misma.

Si Pmax no cambia y ponemos una vlvula ms grande Pmin es menor y la vlvula pierde autoridad. El control de la emisin calor ( fro) se pierde a cargas bajas.

La afirmacin. Una vlvula grande tiene siempre baja autoridad, no siempre es cierta.

Por este motivo se debe analizar la autoridad y el tamao de la vlvula de forma independiente.

La figura siguiente muestra la distorsin de la caracterstica de una vlvula lineal en funcin de su autoridad.

Pmax Pmin

La siguiente muestra la distorsin de una vlvula de EQM%.

En el caso lineal EL%, un 10% de levantamiento de la vlvula deja pasar un 30% del caudal de diseo. Si el elemento terminal es un ventilo-convector (fan-coil) para calefaccin con un salto de 10[K], este caudal del 30% emite el 80% de la potencia del terminal. Esto anula la posibilidad de control. Esto es incluso peor si, para la misma autoridad , la vlvula est sobredimensionada. ( No controlamos y adems el caudal es mayor, de modo que se emite ms del 80%).

Un mnimo de autoridad de =0.5 es aceptable ya que no deforma mucho la forma de la caracterstica terica de la vlvula. En otras palabras la cada de presin en la vlvula de control totalmente abierta y con el caudal de diseo, debe ser igual (al menos) a toda la cada de presin disponible. O de otro modo, la cada de presin en la vlvula debe ser igual a la cada en todos los elementos pasivos de la rama cuyo caudal, la vlvula debe controlar.

La figura siguiente resume lo anterior en un solo grfico.

=1

0 0.5 10

50

100Q/Qmax (%)

Elevacin vlvula%

=0.1

=1

0 0.5 10

50

100Q/Qmax (%)

Elevacin vlvula

%

=1

=0.1

ATENCIN: Observa que el valor del caudal de diseo NO aparece en la definicin de autoridad de la vlvula de control.

La grfica siguiente muestra qu ocurre cuando la presin total disponible aumenta y el caudal que circula por la rama es mayor que el caudal de diseo ( desbordamiento de la rama).

La autoridad no cambia, aunque la presin diferencial disponible Pmax aumente sin embargo, la caracterstica esttica de la vlvula SI ha cambiado. As la autoridad definida antes no es suficiente relacionarla con la forma de la caracterstica esttica de la vlvula en la instalacin. Por ello se define otra (propuesta por Petitjean).

Autoridad prctica de una vlvula de control

Parece que una forma ms coherente de definir la autoridad sera:

(cerrada) 0% a vlvulalacon pdiseo de caudal elcon Y (abierta) 100% a vlvulalaen presin de Cada

'

=

En la figura anterior se ve que s tiene en cuenta el aumento de la presin diferencial disponible ( lo cual hace disminuir el valor de , mientras que se queda igual). Cuando existe desbordamiento del ramal ambas autoridades estn relacionadas por:

diseo

realQ

Q

QQS

S

=

= '2

El valor mnimo de esta autoridad es 0.25 referido a la altura de la bomba que alimenta el ramal.

0 0.5 10

1530

4560

7590

105

120

135150

Q/Qmax (%)

Elevacin vlvula

%

=0.5 , =0.5

=0.5 , =0.32

=0.5 , =0.13

NOTA: Cuando el ramal est desbordado y se pone una vlvula de equilibrado, la caracterstica de la vlvula , cambia de nuevo, pero suele ser de menor entidad, de modo que no suele hacer falta una comprobacin adicional. Algunos criterios para dimensionar las vlvulas de control

Cuando la vlvula de control est casi cerrada, el caudal es muy bajo y TODA la presin diferencial disponible se aplica sobre esta vlvula y el control se hace difcil.

Supn que la vlvula de control se disea para una cada de presin que es 4% de la altura de la bomba. Si el caudal total de la planta es bajo (la demanda global es baja), la vlvula puede llegar a soportar en el lmite el 100% de la presin (esto es 25 veces ms que su diseo) ya que la altura de la bomba no se pierde en las conducciones. Para la misma apertura, el flujo del ramal con la vlvula se multiplica (en el lmite) por 25=5 y por lo tanto se fuerza a la vlvula a cerrar. Regula mal y acta prcticamente TODO-NADA y hace ruidos.

Por esta razn se recomienda que la vlvula de control pierda el 25% de la altura de la bomba, en el diseo de plantas. En este caso (a baja carga de la planta) el desbordamiento que se genera en el ramal con la vlvula de control no supera un factor de 2 ( en lugar de 5).

Problemas de esta recomendacin: - difcil encontrar vlvulas que soporten tanta presin diferencial sin hacer ruido. - Difcil encontrar vlvulas pequeas cuando los terminales son pequeos. Mejor usar bombas

secundarias o controles de presin diferencial

As las condiciones de diseo son:

(A) Con la planta en funcionamiento normal: el caudal que circula por cada rama con la vlvula de control totalmente abierta (100%) debe ser el de diseo. Una vlvula de equilibrado se puede usar para limitar el caudal. Una autoridad =0.3 es suficiente para un control PI.

(B) La bomba debe escogerse para que la cada de presin en las vlvulas sea (al menos) el 25% de la altura de la bomba.

DIMENSIONAMIENTO DE LA VLVULA DE CONTROL

El factor Kv

El caudal que pasa por la vlvula cuando se aplica un salto de presin esttica de p es:

1000

=

PKvQ con:

[kgm-3] = 1000 agua a 4[C], =970 agua a 80[C] Q[m3h-1] p[bar]

El valor cuando la vlvula est totalmente abierta es Kvs.

La presin aplicada a la vlvula depende de:

- Altura de la bomba - Cadas de presin en accesorios y tuberas - Cadas en los terminales.

Las vlvulas se escalan segn la serie geomtrica de Reynard:

Kvs: 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10 16

Cada valor es un 60% mayor que el anterior.

Si, al calcular, no encontramos una vlvulas que totalmente abierta nos d la cada de presin que necesitamos, qu hacemos?.

Si elegimos una vlvula de control con un Kvs superior y entonces Qu hacemos cuando la vlvula de control est sobredimesionada?.

Por ejemplo. Toma el caso de una rama con un terminal de 2000 [W] de calor. La cada de temperatura es 20[K]. Su cada de presin es 6000 [Pa], para el caudal de diseo 2000 * 0.86/20= 86 [l/h]=0.086[m3h-1]. Si la presin diferencial disponible es 32000 [Pa] y la cada en tuberas y accesorios del rmal es 4000 [Pa] la diferencia 32000-6000-4000=22 000 [Pa] deben caer en la vlvula con el caudal de diseo. Esto significa un Kvs=0.183 [m3h-1] ( caudal con un salto de 1[bar]=101325 [Pa]). [ ]

[ ] 183.010132522000

086.0/3==

=

barPhmQKvs

Si el Kvs ms pequeo es 0.25 [m3h-1] la cada de presin para el caudal de diseo ( cuando la vlvula est a 100% (totalmente abierta) ) es 12 000[Pa].

[ ]Pa1199010132525.0

086.0 2=

La diferencia, no compensada 10 000[Pa] harn subir el caudal hasta 0.86

Esta vlvula, independientemente del caudal, mantiene un salto de presiones constante. As reducimos el salto diferencial disponible y el Kvs aumenta acercndose al de la vlvula comercial.

Si elegimos una vlvula de control con un Kvs inferior y entonces

Ejemplo A veces elegir una vlvula inferior no est muy penalizado. Imagina una presin diferencial disponible de 35 [kPa]. El terminal produce una cada a caudal de diseo de 15 [kPa]. As 35-15=20[kPa] que debe perder la vlvula de control. Sin embargo la vlvula que tenemos produce 30[kPa] para el caudal de diseo. Hara falta una presin diferencial disponible de 30+15=45[kPa] pero slo tenemos 35 [kPa]. Esto va a hacer que se reduzca el caudal de diseo. Cunto?.

%884535100 ==

necesario

diseo

QQ

luego pasa el 88% del de diseo ( reduccin del 12%), que influye un 4% en la emisin de calor, luego no vale la pena sobredimensionar.

Si se elige una inferior, a veces hay que reducir el dimetro de la tubera. Esto crea una prdida adicional. As el Kvs final se obtiene multiplicando el terico ( el de catlogo) por el factor:

( )[ ][ ]

.__

1

1_116114.01 2

tericoKvsFprealKvsFp

mmDmmd

dteoricoKvs

DdFp

=

0.5 ya que Qp vara bastante.

EJEMPLOS DE REDES (De acuerdo con PetitJean). Qp= var , Qs=cte P-Pasivo (pg. 231) P-Activo (pg. 228) Qp=var , Qs=var (pg. 227 ) Qp=cte , Qs=cte (pg. 230) Qp=cte , Qs=var (pg. 229)

C

L

E VP

VB

E

L

C

H

TIPOS Q primario Q secundario

(subgrupo)

1VP(G)-2C 1VP(B)-2C

Variable Constante) Primario- Pasivo ( sin bomba)

1VA-2C Primario- Activo (con bomba) 1V-2V Variable Variable 1C-2C Constante Constante 1C-2V Constante Variable Nota: Si Q es constante, en esa sub-red debe haber seguro una bomba. Si es Variable no es seguro.

G B

1V-2V

1VA-2C

1C-2V

1C-2C

1VP(B/G)-2C

EJEMPLO:

En el ejemplo sencillo de la figura. (1VP(G)-2C)

El caudal de diseo por el terminal es Q=2[l/s]=7.2 [m3/h] Para dicho caudal la cada de presin en G es: PG= 5 [kPa] Qu Kvs necesitamos? [ ] 4.32

1013255000

/2.7 3==

hmKvs

Disponemos de Kvs de 25 y 40. Tomamos el de 25. Ahora para el caudal de diseo la cada ser:

[ ]kPaPvalvula 4.8101325252.7 2

=

=

De modo que la cada total ser: 5[kPa] (de G) + 8.4 [kPa] (vlvula) = 13.4 [kPa] Luego la autoridad ser: =8.4/13.4=0.62 que es correcta.

G E

L

C