Eliana Jara Morante

Miércoles, 10-13 pm

Abril 27, 2011

Diseño de Válvulas de Control

INSTRUMENTOS DE CONTROL

Qué es una Válvula de Control

Es el elemento final de control más común

Controla el flujo abriendo o cerrando (on/off)

Es controlado por una computadora que recibe la señal de

salida

Manipula un flujo que puede ser: gas, vapor o compuestos

químicos y lo mantiene dentro del rango requerido.

Partes de una Válvula de Control Un válvula típica consiste en:

Posicionador que modulan el flujo.

Actuador: provee la fuerza motora para operar (abrir o cerrar) la válvula (neumático, hidráulico o eléctrico)

Un cuerpo por el cual fluye el fluido.

Partes movibles como la compuerta, bola que modula el flujo

El asiento que es de metal

Accesorios:

Transducers

Reguladores de presión

Operadores manuales

Partes de una Válvula de Control

Tipos de Válvulas de Control

Describen las características mecánicas y geométricas de

la válvula

Se tienen:

Válvulas de compuerta

Válvula de bola

Válvula de globo

Válvula tipo mariposa

Otros

Válvula de Control de Compuerta

Apertura rápida

Recomendado:

Completamente abierta/cerrada.

Operación no frecuente

Mínimo fluido en la línea.

Aplicaciones:

● Aceite, gas aire, slurry no abrasivos, líquidos pesados, vapor, gases no condensados y líquidos corrosivos.

Ventajas Desventajas

Alta capacidad Pobre control

Cierre fuerte a prueba de fugas Cavita a baja caída de presión

Bajo costo No se usa para estrangulamiento

Poca resistencia al flujo

Válvula de Control de Globo

Lineal, igual porcentaje y de apertura

rápida.

Recomendado:

Servicio de estrangulamiento y regulación

de flujo.

Operación frecuente

Aplicaciones:

● Líquido, vapores, gases, sustancias corrosivas.

● Flujo a alta temperatura y elevada presión

Válvula de Globo

Configuración de las válvulas de globo: (a) de dos pasos; (b) de tres posiciones

Válvulas de Control de Globo

Ventajas Desventajas

Eficiente estrangulamiento Alta caída de presión

Preciso para control de flujo Más caro que otras válvulas

Disponible en múltiples puertos No adecuada para slurry

Simplicidad en el diseño del actuador

resorte/diafragma

Baja cavitación y ruido

Amplio rango de característica de flujo

Válvula de Control de Bola Lineal y de apertura rápida

Recomendado:

Completamente abierto/cerrado,

estrangulamiento limitado

Líquidos a alta temperatura

Aplicaciones:

● Mayoría de líquido, líquidos a alta

temperatura y slurries.

Válvula de Control de Bola

Ventajas Desventajas

Bajo costo Pobre características de estrangula-miento

Alta capacidad Tiende a cavitar

Poco mantenimiento

Buen sellado con poco torque

Válvula de Control de Mariposa Lineal y de igual porcentaje

Recomendado:

Completamente abierto/cerrado, servicio de estrangulamiento

Operación frecuente

Mínimo flujo en la línea

Aplicaciones:

● Líquidos, gases, slurries, líquidos con sólidos suspendidos.

Válvula de Control de Mariposa

Ventajas Desventajas

Bajo costo y mantenimiento Alto torque requerido para control

Alta capacidad Tiende a cavitar a bajos flujos

Bueno para control

Baja caída de presión

Válvula de Control Digital

Tienen la ventaja de tener alta velocidad, alta precisión y una rangeabilidad ilimitada.

Cierre fuerte

La mayor desventaja es su alto costo

Trabajan en un amplio rango de temperatura (criogénico a 670°C)

Presiones hasta 690 bars

Válvula de Control Tipo Pinch Existen de varios materiales:

teflón, PVC, neopreno y polyuretano cada uno con aplicaciones particulares.

Resistentes a la corrosión y abrasión

Control de flujo en amplia rangeabilidad

Bajo costo y larga vida utilcomparado con las válvulas metálicas

Limitada presión y temperatura (-30 a 200°C)

Válvula de Diafragma Saunders

Aplicaciones:

Para alimentos

La mayoría de diafragmas trabajan en el rango de temperatura de -12 a 65°C

Válvulas de Compuerta Deslizante

Usada en control automático pero no es considerada una

válvula de control

Opera hasta presiones de 70 MPa.

Temperaturas desde criogénicas hasta 260°C

Tipos de Válvulas de Control

Cuando se refieren a características del flujo

Igual porcentaje: incrementos iguales de la apertura de

la válvula produce igual porcentaje en el cambio del

flujo.

Lineal: la apertura es directamente al recorrido de la

válvula

Apertura rápida: un incremento grande en el flujo

ocasiona un pequeña variación en la apertura de la

válvula.

Características de flujo

Apertura Lineal

a) Use en circuitos de control de nivel de líquido o de

flujo

b) Use en sistemas donde se espera que la caída de

presión a través de la válvula permanece

aproximadamente constante (i.e, estado estacionario)

Igual porcentaje

a) Use en procesos donde se esperan grandes cambios de

presión

b) En procesos donde se permite una caída de presión

pequeña, referente a la caída de presión total

c) En ciclos de control de presión y temperatura

Apertura rápida

a) Usado para servicios frecuentes de on/off

b) Para procesos donde instantáneamente se requieren

grandes flujos (i.e, sistemas de seguridad, y de

enfriamiento)

Flujo a Través de la Válvula

Se describe por la siguiente relación:

aperturadefracciónx

válvulaladeecoeficientC

ovolumétricflujoQ

donde

S

PxfCQ

v

G

v

v

:

)(

xxfrápidaApertura

xfporcentajeIgual

xxfLineal

flujodelticacaracterísxf

x

)(:

)(:

)(:

.)(

1

específicagravedadS

válvulalaenPP

G

v

Características inherentes de la VC

Describe la relación entre la salida del controlador (como es

recibido por el actuador) y el flujo a través de la válvula

asumiendo que:

El actuador es lineal (recorrido de la válvula es proporcional a la

salida del controlador).

La caída de presión a través de la válvula es constante.

El fluido del proceso no está sujeto a fluctuaciones, cavitación o

velocidad del sonido.

Características de la Válvula de Control

Acción de una Válvula de Control

Qué debe hacerse con la válvula si la energía falla?

Lo más importante es decidir la acción de una válvula en

momentos de seguridad.

Decidir cual es la posición más segura cuando la energía falla.

Falla cerrada (FC)

Aire para abrir

Falla abierta (OF)

Aire para cerrar

Acción de la Válvula de Control

Servomotor

Cu

erp

o

Acción Directa Acción Directa

Presión

aumenta

Vástago abajo

abre

Presión

aumenta

Vástago arriba

abre

Acción Inversa Acción Inversa

Presión

aumenta

Vástago abajo

cierra

Presión

aumenta

Vástago arriba

cierra

Acción de la Válvula de Control

Dos Escenarios

LT LC

Qout

Qin

hs

h

Rv

Falla cerrada

La válvula cierra para

prevenir derrame

Dos Escenarios

LT LC

Qout

Qin

hs

h

Rv

Falla abierta

La válvula abre para

prevenir derrame

Tamaño de la Válvula de Control

Para fluidos incompresibles

pérdidasdecoefK

PPP

velocidad

flujodeáreaA

donde

K

PAAQ

f

v

f

v

.

:

/

21

21

2

pérdidaach

específicagravedadS

MLLflujodeecoeficientC

donde

hCghCS

PCQ

v

G

v

vvvwv

G

v

v

arg

]/][[

:

.

/

213

6580

Cv es característico para cada válvula y depende del diseñador

Tamaño de la Válvula de Control Calcular las características de la válvula

Selección preliminar de la válvula El valor de Cv obtenido es una guía para selección de la válvula. Nunca use una válvula que sea menos de la mitad del tamaño de la

tubería. La válvula es más fácil de controlar cuando opera entre el 10-80% de

el rango de stroke

][

][

:

psiválvulalaen

permitidaPdecaídaP

específicagravedadS

gpmdiseñodecaudalQ

donde

G

P

SQC G

v

Selección de la Válvula de Control

Tener en cuenta:

Características inherentes de la válvula

Estilo de la válvula

El flujo desarrollado

Tamaño

Características dinámicas de la válvula

Banda muerta (“dead band”): zona sin respuesta observable

Tipo de respuesta

Ganancia instalada en las condiciones reales del proceso

Tamaño de la Válvula de Control

Definir el sistema:

El sistema debe incluir todo los alrededores de la válvula de

control

Definir la máxima caída de presión permitido para la válvula

Cuando se define la caída de presión permitida a lo largo de

la válvula, se debe investigar la bomba. Cuál es la máxima

carga disponible? (recuerde que la caída de presión límite está

definida por la bomba)

Tamaño de la Válvula de Control

…

Esencialmente

Como regla es que la válvula debería ser diseñada para usar 10-

15% del total de la caída de presión total o 10 psi, cual fuera

mayor.

Para un sistema de caída de presión de 150 psi, 10% del total de

la caída de presión es 15 psi. Esto será la máxima caída de

presión permitida cuando la válvula está totalmente abierta.

)(RAm

NPSHNPSHVCparaE

Diseño de Válvula de Control En el sistema de flujo en figura la bomba centrífuga entrega agua a 100

gal/min (0.379 m3/min y 70°F (21.1°C)) a un rehervidor operando a una presión de 35 psig (2.41 barg). El nivel del agua en el tanque de alimentación y el rehervidor son constantes. La velocidad aproximada del líquido es de 3 ft/s (0.914 m/s) en la zona de succión y 6 ft/s (1.83 m/s) en la zona de descarga. La corrosión se considera despreciable usando una tubería de acero al carbón. Asuma una caída de presión por fricción de 5 psi en el intercambiador de calor. Encuentre:

a) el tamaño de la tubería de succión y de descarga

b) la carga que la bomba debe entregar

c) la potencia del motor eléctrico y

d) el tamaño de la válvula de control, es decir el coeficiente de la válvula.

Asuma una característica lineal en la válvula de control

Sistema a evaluar:

Datos:

Densidad del agua=62.3 lbm/ft3 (998 kg/m3)

Presión de vapor= 0.3631 psi (0.0250 bara)

Viscosidad del agua= 0.982 cp (9.82×10-4 Pa-s)

Solución:

Solución

Seleccionar una tubería de 4 plg.

Solución

Succión 4" tubería Succión 3" tubería

Nro. K Ktotal Nro K Ktotal

Válvula de

compuerta 1 0.16 0.16 3 0.2 0.6

Válvula check 0 1 2 2

Tess en rama 1 0.67 0.67 0

Tess en línea 1 0.13 0.13 3 0.16 0.48

90° codos 0 1 0.33 0.33

Uniones 2 0.04 0.08 4 0.04 0.16

Entradas 1 0.23 0.23 0

Salidas 0 1 1 1

0 0

Total 1.27 4.57

Resumen

Succión Descarga

Hfricción 0.299 3.25

Hz 7 49

Hpresión 34 115

Hvc 35 ft

Hbomba 173 ft

Cv 33

Procedimiento

para

determinar el

tamaño de la

válvula de

control