teoria valvulad de control

7/31/2019 Teoria Valvulad de Control

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Universidad Nacional de Cuyo

Facultad de Ingeniera

Instrumentacin y Control Automtico

Tema 10 Subtema Vlvula de Control

VLVULAS DE CONTROL

1.1) GENERALIDADES.

La vlvula es un elemento final de control, ya sea automtico omanual. Realiza la funcin de variar el caudal del fluido de control, quemodifica a su vez el valor de la variable controlada, comportndose comoun orificio de rea continuamente variable.

De los elementos de un lazo de control, es el que mayor cantidad de

energa maneja. En la siguiente figura podemos ver el diagrama en bloquesde un lazo convencional de control.

C o n t r o l a d o r V l v u l a P r o c e s o

M e d i c i n

v +

-b

m 1 m ce

Siendo:

m1 la entrada se seal a la vlvula (normalmente 3 a 15 psi 4a 20 mA) y,

m siempre ser el caudal de salida de la vlvula y de ingreso al

proceso.

Como sabemos, cada bloque se denomina funcin de transferencia,para el caso de la vlvula, se puede desdoblar segn puede apreciarse acontinuacin:


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A c t u a d o r C u e r p om 1 m

D o n d e x : l ( c a r r e r a ) o g r a d o s ( r o t a c i n )

x

Como se observa, el actuador convierte la seal de entrada en un

desplazamiento lineal o rotacional (x) que trasladado al cuerpo permite elmayor o menor paso del caudal en juego.

A continuacin puede verse una vlvula de control tpica. sta secompone bsicamente del cuerpo y del servomotor.


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IMPORTANTE:

Debemos tener en cuenta las posibles acciones previstas para elactuador ante falla o falta de seal, esto es que ante ausencia de la misma,la vlvula cierre FC (fail close) o abra FO (fail open). Esto es importante ytiene relacin directa con el proceso donde la vlvula est inserta, la accindebe ser tal que la planta o circuito donde ella se encuentra vaya acondicin segura ante falta de seal.

1.2) CLASIFICACIN DE LOS ACTUADORES.

1.2.1) A diafragma y resorte: es el ms empleado, la seal neumticadesarrolla una fuerza sobre la superficie del diafragma, a dicha fuerza se leopone otra proveniente de un resorte, la ecuacin de equilibrio est dada

por:

( ) x*kA*mm 01 =

donde: m1 = seal de entrada medida en psi. m0 = 3 psi al que corresponde un x = 0. A = rea del diafragma.

Este juego de fuerzas es el principal, pero no el nico, ya que a partirdel mismo se desencadenan otras fuerzas que deben ser tenidas en cuenta,tales como:

1.2.1.1) Fuerzas de inercia: el vstago y elementos solidarios a l (plato enun extremo y obturador en el otro) constituye una masa, la que encombinacin con el resorte conformar un sistema dinmico de 2 orden,esto es el juego y traspaso alternativo de energa de la masa en movimientoal resorte, la compresin del mismo (o elongacin) y la devolucin de esafuerza acumulada a la masa y as sucesivamente provocando oscilaciones.

La frecuencia natural de esas oscilaciones, en ciclos/seg, est dadapor la siguiente ecuacin:


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M

k

2

1Fn =

Donde: k = cte. del resorte. M = masa.

Lo deseable es que .ciclos/seg25>Fn

El amortiguamiento se logra con el ajuste adecuado de laempaquetadura.

1.2.1.2) Fuerzas estticas de friccin: se manifiestan entre dos superficiesadyacentes, para nuestro caso la empaquetadura y el vstago. El sobreajustedel sistema de empaquetadura provoca histresis.

1.2.1.3) Fuerzas dinmicas: se ponen de manifiesto al pasar el fluido por elespacio existente en ese momento entre el obturador y el asiento, que segnsea el caso tiende a abrir o a cerrar la vlvula.

E l f l u i d o t i e n d e aa b r i r l a v l v u l a

E l f l u i d o t i e n d e ac e r r a r l a v l v u l a

IMPORTANTE:

Es evidente que se hace necesario en muchos casos neutralizar lasfuerzas puestas en juego y descriptas en puntos 1.2.1.1 a 1.2.1.3 inclusive,dicho en otros trminos: es necesario asegurar que haya una nica posicindel vstago por cada seal de entrada proveniente del controlador y ello loasegura el uso de un posicionador, cuyo principio de funcionamientodescribiremos ms adelante.


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Actuador a diafragma y resorte con opcin de operacin manual a travs

de volante.

1.2.2) Actuador sin resorte: til para fuerzas de empuje elevadas, comocaracterstica distintiva siempre necesita de posicionador.

Contrarresta fuerzas de empuje entre 3 a 10 veces ms que suequivalente a diafragma y resorte.

1.2.3) Actuador a pistn: igualmente til para contrarrestar elevadasfuerzas de empuje, consiste en:

Si m1 aumenta, el fuelle se mueve hacia la derecha y empuja elvstago piloto hacia arriba, lo que permite que entre aire a la parte superiordel cilindro y que la parte inferior se conecte a la atmsfera. Ello hace queel vstago de fuerza baje, lo que lleva que el sistema de palanca solidario al se oponga al resorte mediante a un mayor despliegue del fuelle, llegando

a una nueva posicin de equilibrio.

Actuador a pistn.


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1.2.4)Actuadores hidrulicos: similar al anterior, aqu la parte de seal es

neumtica que controla a la parte de fuerza que es hidrulica (cilindro-pistn), por lo que se necesita de una bomba que provea aceite a presincon una caera de suministro y otra de retorno.

Actuador hidrulico.

1.2.5)Actuadores a motor: como su nombre lo indica, el desplazamiento (orotacin) del vstago se realiza mediante un motor que puede ser neumticoo elctrico.

1.3) CUERPO DE VLVULAS.

El cuerpo de la vlvula debe ser resistir la temperatura y la presindel fluido sin prdidas, tener un tamao adecuado para el caudal que debecontrolar y ser resistente a la erosin o a la corrosin producida por elfluido.

El cuerpo suele ser de hierro, acero y acero inoxidable, y en ciertoscasos especiales (cuando el fluido es muy corrosivo) pueden ser de monel,hastelloy B o C, etc.

El cuerpo es el encargado de regular el pasaje del fluido,transformando los desplazamientos del vstago (lineal o rotacional) en unavariacin de caudal. Bsicamente, los cuerpos de las vlvulas se puedendividir, considerando principalmente a aquellas vlvulas destinadas alcontrol, en:


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1.3.1) Globo: Una vlvula de globo es de vueltas mltiples, en la cual el

cierre se logra por medio de un disco o tapn que cierra o corta el paso delfluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulacin en la tubera.

De simple asiento. De doble asiento, que con respecto a la primera asegura mejor

balance dinmico pero con mayores prdidas al cierre. Tipo jaula. De 3 vas ya sean mezcladoras o divisoras.

En ngulo y en Y aptas para altos p

y para casos de flashing ycavitacin.

1.3.2) Saunders: Se caracteriza porque el cuerpo puede revestirsefcilmente de goma o de plstico para trabajar con fluidos agresivos.

Tiene la desventaja de que el servomotor debe ser muy potente. Seutiliza principalmente en procesos qumicos difciles en el manejo defluidos agresivos, o bien en el control de fluidos contaminados con slidos

en suspensin.1.3.3) De obturador excntrico rotativo: Consiste en un obturador desuperficie esfrica que tiene un movimiento rotativo excntrico y que estunido al eje de giro por uno o dos brazos flexibles.

El eje de giro sale al exterior del cuerpo y es accionado por elvstago de un servomotor.


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Esta vlvula brinda los siguientes beneficios:

Cierre estanco. Par reducido del actuador. Alto caudal. Elevada prdida de carga admisible.

1.3.4)Mariposa: El cuerpo est formado por un anillo cilndrico dentro delcual gira transversalmente un disco circular. La vlvula puede cerrarhermticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. Unservomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par mximocuando la vlvula est totalmente abierta; siempre que la presin diferencial

permanezca constante. En la seleccin de la vlvula es importanteconsiderar las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones decompleta apertura y de cierre, debido a que se necesita una fuerza grandedel actuador para accionar la vlvula en caso de una cada de presinelevada.


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Esta vlvula ofrece las siguientes ventajas:

cierre estanco. ptima para manejo de altos caudales con bajo p.

1.4) TAPA DE LA VLVULA.

La tapa de la vlvula de control tiene por objeto unir el cuerpo alservomotor. A su travs desliza el vstago del obturador accionado por el

motor. Este vstago generalmente dispone de un ndice que seala en unaescala la posicin de apertura o cierre de la vlvula.

Para que el fluido no se escape a travs de la tapa, es necesariodisponer de una caja de empaquetadura entre la tapa y el vstago. Laempaquetadura que se utiliza normalmente es de tefln, cuya temperaturamxima de servicio es de 220 C.

La empaquetadura normal suele ser de aros de tefln de seccin en

V, comprimidos con un resorte con la ventaja de que el tefln esautolubricante y no necesita engrase. Cuando el fluido y las condiciones deservicios no permiten el uso de tefln, se utiliza fibra formada normalmente

por amianto combinado con un collarn intermedio para la lubricacin.

1.5) PARTES INTERNAS DE LA VALVULA. OBTURADOR YASIENTO.

Como partes internas de la vlvula se consideran generalmente laspiezas metlicas internas desmontables que estn en contacto directo con elfluido. Estas piezas son: el vstago, la caja de empaquetadura, el obturadory el asiento.

Hay que sealar que el obturador y el asiento constituyen el coraznde la vlvula al controlar el caudal, gracias al orificio de paso variable queforman al variar su posicin relativa.


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El obturador y el asiento se fabrican normalmente de acero

inoxidable, porque este material es muy resistente a la corrosin y a laerosin del fluido.

2)CURVAS CARACTERSTICAS DE LAS VLVULAS.

2.1) CARACTERSTICAS DE CAUDAL INHERENTE,INTRODUCCIN

El obturador determina la caracterstica de caudal de la vlvula, esdecir, la relacin que existe entre la posicin del obturador y el caudal depaso del fluido.

La caracterstica de un fluido incompresible fluyendo encondiciones de presin diferencial constante a travs de la vlvula sedenomina caracterstica de caudal inherente, y se representa usualmenteconsiderando como abscisas la carrera del obturador de la vlvula y comoordenadas el porcentaje de caudal mximo a una presin diferencial

constante.Las curvas caractersticas ms significativas son: la de apertura

rpida (o quick-opening), la lineal y la isoporcentual, siendo estas dosltimas las ms importantes.

Curvas Caractersticas de Caudal Inherente


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Las curvas caractersticas se obtienen mecanizando el obturador

para que al variar la carrera, el orificio variable existente entre el contornodel obturador y el asiento configure la caracterstica de la vlvula.

A continuacin se analizarn solamente el obturador concaracterstica lineal e isoporcentual.

2.2) Obturador con Caracterstica Lineal.

En el obturador con caracterstica lineal, el caudal es directamenteproporcional a la carrera segn la ecuacin:

l*kq =

donde: q = caudal. k = cte. l = carrera (lineal o rotacional)

Grficamente se representa por una lnea recta.

A los efectos de avanzar en el porqu de estos tipos de vlvulas,introduciremos un primer concepto: el de rangeabilidad (rangeability), lacual definimos como:

controlarpuedesequeq

controlarpuedesequeqR

mn

mx=

La rangeabilidad o campo de control de caudales que la vlvula escapaz de regular manteniendo la curva caracterstica inherente es en lavlvula lineal de 15 a 1 o de 30 a 1. Si bien tericamente sta podra serinfinita, las dificultades de fabricacin la limitan a estos valores.

Debe apreciarse en las curvas caractersticas de caudal inherente queninguna de ellas llega al cero de carrera y por lo tanto, ninguna llega al cerode caudal. Por consiguiente, el valor de rangeabilidad jams podr ser

infinito, aunque tericamente pueda pensarse as.


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2.3) Obturador con Caracterstica Isoporcentual.

En el obturador con caracterstica isoporcentual, cada incremento decarrera del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcionalal caudal que flua antes de la variacin

q*adl

dq=

En la que:

q = caudal a prdida de carga constante. l = carrera. a = cte.

Trabajando matemticamente la expresin anterior:

CalCal e*eqeqCl*aqlndl*aq

dqdl*a

q

dq==+=== +

al

e*bq =

Donde: a y b = ctes.

A continuacin, puede verse que:

ae=====

===

mn

mxamnmx

amx

mn

q

qe*qqe*bqq1lPara

bqq0lPara

Como:

l

mn

mx

mx

mn

l

mn

mx

al

q

q

q

q

q

q

ebq

=

=

=

*q

q*qq

luego,*

mxmn

Basndonos en la definicin de rangeabilidad, la expresin anteriorqueda:


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l

mx

R

Rq

q*

1=

Los valores tpicos de rangeabilidad para este tipo de vlvula estnen un rango de 30 a 50.

Esta ltima expresin nos da el porcentaje de caudal en funcin delcampo de control o rangeabilityde la vlvula.

La representacin grfica de la curva de una vlvula isoporcentual, se

caracteriza porque al principio de la carrera, la variacin de caudal espequea, y al final, pequeos incrementos en la carrera se traducen engrandes variaciones de caudal.

El trmino de isoporcentual deriva del hecho que, por cadaincremento porcentual de la carrera de la vlvula, se produce el mismoincremento porcentual del caudal.

Supongamos que estando al 20% de la carrera, el caudal es 5 m3/h,

un incremento del 1% nos lleva a 5,05 m

3

/h. Luego estando al 80% de lacarrera, un incremento con igual porcentaje nos lleva de 45 m3/h a 45,45m3/h.

Notar que la proporcin se ha mantenido, no obstante el incrementoen los respectivos caudales son bastante distintos, 50 litros/h en el primercaso y 450 litros/h en el segundo.

En otras palabras, si nos situamos en la parte de bajos valores de

carrera que se corresponde con bajo valores de caudales, una variacin enla carrera nos dar un caudal similar al previo, o sea pequeo. Igualmente,si nos situamos en la parte alta de la carrera que se corresponde con altoscaudales, el mismo incremento nos dar un caudal similar al previo o seagrande.

3) CARACTERSTICAS DE CAUDAL EFECTIVAS.

En la mayor parte de las vlvulas que trabajan en condiciones reales,la presin diferencial ( )p a travs de ellas cambia cuando vara suapertura,


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por lo que la curva real que relaciona la carrera con el caudal se aparta de

las caractersticas de caudal inherentes ya vistas y se genera una nuevacurva que recibe el nombre de caracterstica de caudal efectiva ocaracterstica de vlvula instalada.

El p variable (ya no ms una constante), depende de lascombinaciones de la tubera y de las caractersticas de las bombas y/otanques del proceso.

proceso).deltanquesbombas,deticascaracterstubera,ladeasresistenci(fp =

Por eso, es evidente que una misma vlvula instalada en procesosdiferentes, presentar inevitablemente curvas efectivas distintas.

En un circuito tpico de un proceso industrial, formado por unabomba centrfuga, la vlvula de control y la tubera, las caractersticas deimpulsin de la bomba y la prdida de carga absorbida por el sistemavariarn segn sea el grado de apertura de la vlvula.

En esta grfica, puede verse que la diferencia entre la presin de

impulsin de la bomba y la prdida de carga de la tubera corresponden a la


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prdida de carga absorbida por la vlvula, y sta aumenta al disminuir elcaudal.

Expresando la prdida de la presin de la vlvula cuando sta esttotalmente abierta, con relacin a la prdida de carga del sistema (lnea +vlvula totalmente abierta) se obtiene un coeficiente r.

abierta)etotalmentvlvula(lneasistemadelp

abierta)etotalmentvlvulalapor(producido

+

=

pr

El valor de este coeficiente depender del tamao relativo de la

vlvula con relacin al de la tubera y de la resistencia de la tubera conrelacin al conjunto.

A mayor dimetro de la vlvula el valor de r aumenta A mayor resistencia de la tubera el valor de r disminuye

Para cada valor de r puede construirse una curva caractersticaefectiva que se apartar de la curva inherente y que coincidir con ella

cuando ,1=r es decir, cuando la lnea no absorbe presin y queda todadisponible para la vlvula.

Veamos un ejemplo: sea el siguiente proceso

Sistema con prdida de carga constante.


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Cuyo circuito equivalente es:

Circuito equivalente.

H1 es la prdida de carga disponible para la vlvula, H2 la producida

en la tubera en el tramo comprendido entre P2 y P3, y H es la cada total enel sistema.

Por lo tanto, el valor de r se calcula como:

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HH

H

H

Hr

+==

Recordemos que el caudal inherente en las vlvulas lineales es:

lkqi *=

Y para las isoporcentual es:

l

i RR

q *1

=

Hemos agregado el subndice i para denotar su caracterstica

inherente.

Trabajando algebraicamente a partir de las expresiones anteriores sellega a la siguiente relacin entre el caudal efectivo (el real) y el caudalinherente en funcin de r:

q

rr

q

e

i

=

+

1

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NOTA: No se ha demostrado ac la expresin arriba expuesta, para los

interesados en conocer el desarrollo de la misma, se les sugiere la consultadel libro Instrumentacin Industrial de Antonio Creuss de EditorialMarcombo.

Es importante destacar que dicha ecuacin representa una familia decurvas para cada tipo de vlvula, cada una representativa de un valor

particular de r.

Un criterio ms o menos aceptado para la seleccin de vlvulas de

control es el siguiente:

ual.isoporcentvlvulaunaseleccionase0,35rSi

etc.,emergencialaenevacuacindecapacidad:comotalesionesconsiderac

otrascuentaenteniendoevaluadaserdebeseleccinla0,50r0,35Si

lineal.vlvulaunaseleccionase50,0rSi


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3.1) PRIMERA GUA DE SELECCIN.

A manera de pauta general, se puede decir que se usarn vlvulas:

3.1.1) Isoporcentuales para:

a) Procesos rpidos.b) Cuando la dinmica del sistema no se conoce muy bien.c) Cuando se requiere alta rangeabilidad.

2.3.2) Lineales para:

a) Procesos lentos.b) Cuando ms del 40 % de la cada de presin del sistema cae en la

vlvula.

2.3.3) Quick-opening o apertura rpida para:

a) Control on-off.b) Cuando la mxima capacidad de la vlvula debe ser obtenida

rpidamente.Para finalizar se puede decir que en la mayora de los casos las

vlvulas ms usadas son las del tipo isoporcentual, con menos frecuencialas lineales y rara vez las de apertura rpida. Respecto de esta ltima

podemos agregar que no es un vlvula con buen desempeo para controlarun lazo dado, la explicacin surge de examinar su curva inherente, si bienentrega mucho caudal en los rangos bajos de su carrera, luego (el 75% delrecorrido restante) mayores incrementos en la carrera casi no tienenincidencia para obtener un mayor caudal, esto provoca que su capacidad deregulacin sea muy pobre.

COMENTARIO:

Un comentario final sobre la rangeabilidad. En prrafos anterioreshemos definido y empleado la rangeabilidad para poner el caudal inherenteen funcin de la misma, sin embargo la expresin que define su concepto ysu uso va ms all del mero empleo matemtico. Esto es que, a veces losrequerimientos de proceso solicitan una relacin de caudales mnimos ymximos que exceden los que una sola vlvula puede dar.


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La solucin a tal problema est en el uso de dos vlvulas en una

disposicin de control conocida como de gama partida.

La figura siguiente muestra el arreglo mencionado. El posicionadorde la vlvula ms pequea se calibra para que haya una carrera completa

para una entrada de seal entre 3 a 9 psi y el posicionador de la vlvula msgrande debe calibrarse para que haya una carrera completa con una seal deentrada entre 9 a 15 psi.

Claramente se ve que cuando la vlvula pequea est dejando pasarel mximo caudal empieza a abrir la mayor y viceversa, el cierre comienza

por sta ltima para luego continuar con la menor.

IP

cont.

q1

q2

3- 9 psig

9-15 psig

q2 q1

4) DIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS DE CONTROL

4.1) Introduccin.

Dimensionar una vlvula de control es seleccionar correctamente eldimetro del orificio que permita el pasaje del caudal necesario. El correctodimensionamiento proveer un mejor funcionamiento de la vlvulareguladora y consecuentemente, que el lazo de control cumpla su objetivode manera eficaz. Masoneilan en 1944 introdujo el concepto de CV o KV

con la intencin de normalizar el clculo de dimensionamiento.


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Por definicin, el CV es el caudal de agua a 60 F en gal/min que pasa

a travs de la vlvula ensayada completamente abierta y provoca una

prdida de carga de 1 psi.

Mientras que, por definicin, el KV es el caudal de agua a 15 C enm3/h que pasa a travs de la vlvula ensayada completamente abierta y

provoca una prdida de carga de 1 kg/cm2.

VVVV K17,1C1yC86,0K1 ==

Munidos con todos los datos requeridos para una aplicacin

determinada, la idea es encontrar el dimetro de la vlvula que secorresponda con el CV calculado o el inmediato superior.

4.2) Datos necesarios para el diseo:

4.2.1) Cada de presin en la vlvula: la evaluacin de este parmetro es defundamental importancia, por lo que se sugiere tomar debida nota de losiguiente:

a) Al decidir el pv , si es que no est definida por el proceso, sepresenta la disyuntiva de optar por un bajo costo de operacin ( pv bajo)

con detrimento del desempeo o un mejor control con mayor costo deoperacin dndole a la vlvula mayor prdida de carga disponible ( pv alto).

b) A manera de gua se sugieren los siguientes lineamientos:

b.1) En circuitos con bombas el pv ser el 33% de la carga dinmica delsistema y no menor a 1 kg/cm2 (aprox. 15 psi).

b.2) El pv asignado a la succin o descarga de un compresor ser el 5% dela presin absoluta de succin o el 50 % de las prdidas dinmicas delsistema, se elegir siempre la mayor.


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Estas relaciones deben ser aumentadas cuando el campo de

variacin de caudal es grande (atencin: variacin de caudal grande, no

confundir con caudal grande) y reducirlas cuando la variacin de caudal espequea.

b.3) Si el pv es slo un pequeo porcentaje de la prdida total del sistema,la vlvula pierde rpidamente su capacidad para aumentar ulteriormente elcaudal (recordar rangos altos de la carrera en la tipo quick opening).

b.5) Cuando el pv es del valor adecuado, la vlvula de control es mspequea que el dimetro de la caera donde se instalar.

4.2.2) Caudal: se adoptarn las siguientes definiciones:

a) Caudal normal mnimo (Qn-mn): mnimo caudal necesario paramantener el proceso bajo control en cualquier condicin deoperacin.

b) Caudal normal mximo (Qn-mx): mximo caudal necesario paramantener el proceso bajo control en cualquier condicin de

operacin.

c) Caudal mximo (Qmx): mximo caudal que puede circular por lavlvula para el 100 % de apertura.

Excepto Qmx, los dems son datos de proceso (diseo o condicionesde operacin). El Qmx suele adoptarse alrededor del 25 % mayor que elQn-mx.

4.2.3) Otros datos:

a) Temperatura de operacin y de diseo.

b) Propiedades fsicas:

* Viscosidad *Densidad * Peso especfico * Densidad relativa

* Presin de vapor * Peso molecular * Calores especficos * Otros


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c) De instalacin:

* Dimetro de la caera donde se instalar* Corrosin * Erosin * Otros tipos posibles de ataque

d) De la vlvula:

* Serie (150, 300, etc)* Rangeabilidad

4.3) Frmulas.

El punto de partida para un mejor entendimiento se har con losfluidos incompresibles, para luego extendernos a las expresiones propias degases y vapores.

No habr un desarrollo terico (el cual est brillantemente tratado enla obra de A. Creuss), pero las expresiones mostrarn de qu forma

intervienen los datos requeridos y mencionados en el punto anterior.3.3.1)Fluidos incompresibles.

Un fluido a travs de la vlvula de control sigue las mismas leyes deconservacin de masa y energa como la expresada en la mecnica de losfluidos.

Los lquidos son incompresibles; cuando estos pasan a travs de unarestriccin en la caera deben acelerarse.

La energa para esta aceleracin debe ser tomada de la energadisponible como presin del fluido o altura esttica. Luego de la restriccinel fluido se frena y parte de esta altura o presin es recuperada. La parte norecuperada se convierte en energa de friccin.

Despreciando las prdidas por friccin, el Principio de conservacinde energa (Teorema de Bernoulli) nos da:

ghvv 22122 =


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Donde:

v2 es la velocidad en el rea 2 (restriccin).

v1 es la velocidad en el rea 1 (caera). agua.decolumnademenmedidoph =

Dado que 2122 vv >> , y tendiendo en cuenta el factor de resistencia

( ) , la expresin anterior queda:

ghvv 2*2 ==

Teniendo en cuenta que AvQ *=

, resulta que:

p10hpero,2gh**AQ

==

Donde: representa el peso especfico relativo (o densidad relativa) debido

que se pretende siempre mantener las unidades en m de columna deagua.

el p representa la cada de presin en la vlvula (H1) en kg/cm2

. el nmero 10 surge para convertir kg/cm2 en m de columna de agua.

Luego, la expresin queda:

ppgAQ

=

= *10*2** 20g**AQ

Siendo: gAKV 20**= , la ecuacin anterior debera quedar:

pKQ V

=

Pero, como la definicin de KV manifiesta la necesidad de que lavlvula est totalmente abierta, entonces mxQQ = y la expresin final es:

p

Qp

KQ mxVmx

=

=

*VK


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Con el valor de KV, debe ingresarse al siguiente grfico para

determinar cul es el dimetro ms conveniente a seleccionar.

IMPORTANTE:

El tipo de vlvula queda determinado por el valor de r que fuedefinido con anterioridad. Sin embargo, el dimetro de la vlvula sedetermina utilizando el grfico anterior.

3.3.2) Fluidos compresibles.

Los lquidos al ser incompresibles no varan su densidad a travs dela vlvula, en cambio los gases o vapores se expanden al caer la presin y

por lo tanto su densidad decrece al pasar por la vlvula.

El mtodo ms conveniente para expresar esta variacin es utilizar elfactor de expansin en las expresiones arriba mencionadas.

pYQ

pYKQ mxVmx

=

=

**** VK

El factor de expansin Y se define para el aire como:

=

1 0 33, xx T


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Donde:

xp

P

v=

1

P1: presin aguas arriba de la vlvula.

Para gases distintos al aire, el factor de expansin debe ajustarsemediante un factor de correccin Fk, llamado factor de relacin de caloresespecficos dada por:

Fk

k = 1 4,

Donde: k es la relacin de calores especficos.

La expresin final ser por lo tanto:

=

1 0 33,x

x T Fk

5) FLASHING Y CAVITACIN

5.1) Introduccin.

Estos fenmenos pueden tener efectos significativos sobre laoperacin de la vlvula y sobre el procedimiento de dimensionamiento.

Para mantener un Q constante en las inmediaciones de la restriccinla velocidad debe incrementarse conforme disminuye el rea. La velocidadse alcanza en un punto inmediatamente posterior al rea mnima, o sea, enel puerto de salida de vlvula considerada. Ese punto es conocido comovena contracta y le corresponde el punto de mnima presin.

Luego de la vena contracta, el lquido comienza a disminuir suvelocidad y a aumentar la presin.


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Cuando dicha recuperacin es menor que la presin de vapor PV dellquido en cuestin, parte de l comienza a vaporizarse (flashing), lo quetiende a provocar serios daos en el obturador y en el asiento por el efectosde erosin.

Adems del dao fsico, la vaporizacin instantnea tiende a hacerdisminuir el Q dado que las burbujas entorpecen el paso del lquido y

pueden llegar incluso a bloquearlo (choked flow). Por lo que un aumentode p no se ver correspondido con un aumento de caudal.


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IMPORTANTE:

Lo dicho en el prrafo anterior significa claramente que ya no secumple la expresin fundamental empleada para el clculo del KV:

pQ

pKQ mxVmx

=

=

** VK

5.2) Expresiones representativas.

Es importante conocer el mxp a partir del cual no hay un incrementodel caudal Q, como tambin as, la zona de transicin que comienza enpPERM, segn se observa en el grfico anterior.

Distintos fabricantes han encontrado diferentes expresiones paradescribir la funcin y luego, la han incorporado a sus programas de clculoa efectos de prevenir en la corrida de los mismos la posible ocurrencia deflashing.

Slo por una cuestin de simplicidad evitaremos la mencin yanlisis de todas ellas, eligiendo la desarrollada por Masoneilan.

Se considera a pPERM en funcin del lquido y del tipo de vlvula.Masoneilan propone:

sfPERM pCp =

Donde:

p PP

Ps

v

c

=

1 0 96 0 28, ,

Siendo: PV: presin de vapor del lquido en psi. PC: presin crtica del lquido en psi. Cf: factor de flujo crtico, es dato de vlvula.


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SiP

Pv1

2> entonces p P Ps v= 1 .

Las vlvulas mariposas (como en la mayora de las rotatorias) tienencaractersticas de recuperacin alta, en cambio las de vstago dedesplazamiento lineal tienen caractersticas de recuperacin baja dado quela trayectoria del fluido es ms tortuosa que en las primeras y por lo tanto lacada de presin del lquido es mayor, y en consecuencia tienen menorcapacidad para la recuperacin de presin.

5.3) Cavitacin.

Si la recuperacin de la presin es suficiente para elevarse porencima de la presin de vapor del lquido, entonces las burbujas empiezan aimplotar, y se produce el fenmeno de la cavitacin.

La energa liberada en la implosin (pueden llegarse a producirpresiones localizadas alrededor de la implosin del orden de las 100.000atm.) va carcomiendo las paredes internas de la vlvula, y puede escucharse

por los internos de la vlvula un sonido como si fluyera arena cuando lacavitacin es incipiente y un sonido a piedras rodando cuando la cavitacines severa.

La cavitacin puede tambin obstruir el caudal (choked flow) y escausante de severos daos a los internos.


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Empricamente se ha demostrado que en las vlvulas con baja

recuperacin, el bloqueo por flashing y cavitacin se presenta

aproximadamente al mismo p y por lo tanto la ecuacin:

p C pPERM f s=

Sirve para calcular el p al cual comenzara la cavitacin.

En cambio para las de alta recuperacin (rotatorias), la cavitacinpuede ocurrir a cadas de presin por debajo del pPERM. Para ste tipo de

vlvula, Masoneilan propone:

p K P PCAV C v= ( )1

Donde:

Kc: coeficiente de cavitacin incipiente y es dato de tablassuministrado por el fabricante.

Los fabricantes producen dispositivos anticavitacin con los quetienden a incrementar Kc y por lo tanto la cada de presin a la cual ocurrela cavitacin.

6) POSICIONADORES.

Es un dispositivo semejante a un controlador proporcional y sufuncin es comparar la seal de salida del controlador con la posicin del

vstago de la vlvula, la cual se asegura mediante una realimentacinmecnica , entre el vstago y el posicionador.

Si el vstago no est en la posicin indicada por el controlador, conel posicionador se aade o elimina aire del actuador de la vlvula hasta quese logra la posicin correcta.

El posicionador tiende a eliminar o al menos minimizar los efectosde:


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Retardo en los actuadores de gran capacidad. Friccin del vstago debido a la empaquetadura.

Friccin debida a fluidos viscosos o pegajosos. Cambios en la presin en la lnea de procesos donde est instalada la

vlvula.

Se recomienda el uso del posicionador cuando la respuesta delconjunto vlvula-posicionador es mucho ms rpida que el proceso mismo.

Otras ventajas que presenta el posicionador son:

Se reduce la histresis y mejora la linealidad.

El piloto amplificador puede trabajar a presiones mayores que el deseal, o sea para m1 variando entre 3 a 15 psi, m2 variar entre 3 a 60

psi. Esto permite trabajar con fuerzas estticas de friccin muchomayores.

Permite discriminar mayor cantidad de posiciones del vstago,incrementando su nmero de 50 a 200 aproximadamente.

Finalmente y como aplicacin importantepermite trabajar en rangopartido o sea m1 de 3 a 15 psi y ajustando m2 de la vlvula pequeapara plena carrera entre 3 a 15 cuando m1 vara entre 3 a 9 psi (partebaja) y m2 de la vlvula grande para plena carrera entre 3 a 15 psicuando m1 vara entre 9 a 15 psi (parte alta).

La figura siguiente muestra una vlvula tipo globo con actuador

neumtico, comandado por un posicionador, el que se aprecia en un primerplano, merece observarse sobre el mismo, los 3 manmetros , el primeroindica la presin de aire de alimentacin, el segundo la presin de entradam1(t) proveniente del controlador (ya sea neumtico o electrnico, en esteltimo caso mediante convertidor I/P) y el tercero la salida al actuador(extremo derecho), tambin se ve la realimentacin mecnica mediante unavarilla que vincula el vstago con el posicionador, ya que como se dijoanteriormente es un controlador proporcional cuya c(t) es la posicin exactadel vstago y el valor deseado o r(t) es la seal m1(t) proveniente del

controlador.


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Profesor Titular: Ing. Alfredo Ernesto PuglesiProfesor Adjunto: Ing. Mara Susana BernasconiJTP: Ing. Esther Bibiana CastiglioneColabor: Marcos Castagnolo

teoria valvulad de control

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