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
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