INSTITUTO TECNOLGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERA ELECTROMECNICA

INGENIERA EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

SISTEMAS DE VAPOR

Vlvulas De Seguridad:

Seleccin Y Dimensin Para Equipos Que

Consumen Vapor.

Profesor:

Ing. Oscar Bastos Molina

Estudiante:

Daniel Nez Picado 201143875.

2 de Marzo del 2015.

Contents Introduccin .................................................................................................... 3

Dimensionamiento .......................................................................................... 3

NTP346 ....................................................................................................... 4

Aproximacin DIN EN 60534 ....................................................................... 5

Seleccin. ....................................................................................................... 6

API - ASME ................................................................................................. 6

NTP510 ....................................................................................................... 7

Vlvulas de Seguridad de presin directa: .............................................. 7

Vlvulas de Seguridad de presin indirecta: ............................................ 8

Vlvulas de Seguridad Equilibradas ...................................................... 10

Conclusiones ................................................................................................ 13

Bibliografa .................................................................................................... 13

Introduccin

Este trabajo escrito hace alusin a la investigacin bibliogrfica del curso de

Sistemas de Vapor para el primer semestre del 2015, en la Escuela Electromecnica

del Instituto Tecnolgico de Costa Rica. Esta investigacin se basa en la seleccin

y en cmo dimensionar una vlvula de seguridad para un sistema que consuma

vapor. El objetivo principal de este trabajo es abarcar diferentes temas secundarios

pero de suma importancia el cual un ingeniero en mantenimiento industrial debe

tener las bases mnima, y reforzar las investigaciones individuales y el proceso

autodidacta.

Para iniciar este trabajo se debe aclarar algunos conceptos, iniciando con qu

es una vlvula de seguridad (VS), una VS es una reguladora de fluido la cual al

llegar a un valor establecido permite liberar el fluido que transporta para evitar daos

al sistema o una explosin al sistema. Las VS regulan diferentes variables como

Caudal, Temperatura y principalmente Presin. En este trabajo se le dar ms

nfasis a las reguladoras de presin.

Existen diferentes tipos de VS, en general se hablan de mecnicas, elctricas

y electrnicas. Las VS mecnicas trabajan mediante un tapn o baln con un resorte

el cual al vencer la resistencia de resorte el fluido se libera a la atmsfera evitando

la sobrepresin en el sistema. Las elctricas cuentan con un presostato el cual es

ajustado para que accione la VS, estas tienen la gran ventaja en que su tiempo de

disparo es mucho menor que la mecnica, sin embargo depende de una corriente

elctrica. Las electrnicas son las ms modernas la cual tiene un presostato que

cambia un valor de presin a voltaje el cual puede ser enviado a una computadora,

la cual puede accionar la vlvula en el momento que sea.

Teniendo en cuenta la importancia de una VS para un sistema de vapor se

puede observar que se requieren muchas variables que el sistema en el que va a

trabajar brinda (dimetros nominales, presin nominal o de trabajo) sino tambin su

forma de uso (fluido a trabajar, tipo de accionamiento, material de construccin) ms

otros detalles tcnicos la cual puede mejorar tiempos de respuesta o robustez de la

VS.

Existen diversas normas y guas que permiten la buena seleccin de una VS,

entre estas se van a mencionar la API, ASME y la NTP510 la cual muestra unos

clculos sencillos de seleccin de vlvulas de alivio.

Dimensionamiento

Para poder dimensionar una vlvula de seguridad para gases se pueden

utilizar muchos mtodos entre ellos se van a mencionar en esa investigacin el

mtodo de la gua NTP346 y el mtodo simplificado por SAMSON de la norma DIN

EN 60534 en la directiva VDI/VDE 2173.

NTP346

En esta gua selecciona una VS con la expresin:

= [

0,76 1] ( /0)

0,5

Para esto toman la superficie A neta en centmetros cuadrados (cm2), el caudal

de alivio en kilogramo entre hora (kg/h) el coeficiente C que viene de la relacin:

= 520 (2

+ 1)

+11 =

La K es el coeficiente de descarga a determinar donde se alcanza con la

relacin entre el caudal real y el caudal terico. El Kb es el coeficiente de descarga

el cual viene de la grfica:

Figura 1. Grfico de K/P (SAMSON)

Siguiendo se tiene la presin P1 la cual viene dada por la presin de

accionamiento, la sobrepresin la contrapresin y una mejora de 1,01325. El m0 es

el peso molecular (g/mol), T como temperatura en (K) y un factor de compresibilidad

Z para esto se utiliza:

Figura 2. Grfico Z-TR-PR (SAMSON)

Aproximacin DIN EN 60534

En este caso se utiliza una frmula ms sencilla ya que slo se trata de una

aproximacin a pesar de esto, sigue siendo una forma muy sencilla y confiable de

seleccionar y dimensionar una VS.

Esta aproximacin utiliza la frmula:

= = 14,21 1

En este caso se utiliza W como el caudal msico en kilogramo entre hora

(kg/h), m como un coeficiente de prdida de presin, el valor Kv como coeficiente

de la vlvula en metro cbico entre hora y en Z presiones absolutas en bar como la

densidad del material. Para estos casos normalmente se busca el Kv ya que esto

permite entrar a los catlogos y buscar una VS que cumpla con los valores

estipulados.

El factor m se obtiene de la tabla que se ubica en la pgina 6 de la ltima cita

bibliogrfica (SAMSON) la cual no se adjunta por cuestiones de espacio y

legibilidad.

Seleccin.

API - ASME

Para este caso se requiere una serie de variables sencillas que se deben tener

en cuenta en el diseo del sistema de vapor, como es el caso del rea del paso del

fluido, un coeficiente que depende de las caractersticas termofsicas del fluido, la

presin absoluta del sistema estndar. Para ambas normas se utiliza la misma

frmula la cual es la siguiente:

=356.3 15064 ( .0766)

Para esta ecuacin la temperatura entra en F, la presin debe ser absoluta

en psia, el rea en pulgadas cuadrada. Sin embargo es importante mencionar que

el rea que utiliza ASME es el rea REAL del sistema, mientras que API utiliza la

EFECTIVA. Para este cambio de rea se utiliza la siguiente tabla:

Figura 3. Tomado de COMEVAL

Para este proceso existe una herramienta informtica llamada SIZEMASTER,

el cual es de Farris Engineering, es una herramienta tcnica la cual permite calcular

reas seleccionadas, materiales, dimetros nominales, pesos, etc. Este programa

utiliza la forma de seleccionar ASME. Este programa permite realizar clculos

simultneos, flujos bifsicos, seleccin de materiales, a su ve permite que los

usuarios escriban comentarios y sugerencia de forma exclusiva en cada vlvula.

Se considera de suma importancia conocer estas herramientas ya que en un

mundo moderno estas herramientas son muy tiles y eficientes, lo cual permite

mayor facilidad al ingeniero.

NTP510

Antes de comenzar esta prctica de seleccin cabe aclarar que la NTP es una

gua, lo cual implica que no es obligatoria a menos que el cdigo del pas en que se

encuentre el sistema de vapor est vigentes la NTP como guas oficiales.

Esta gua divide las vlvulas segn su accionamiento las cuales las divide en:

Vlvulas de Seguridad de presin directa:

Estas VS son accionadas mediante la propia presin del fluido, donde al

alcanzar la presin manomtrica determinada esta empieza a cerrar el dispositivo

de seguridad, en la mayora de los casos es un disco. Permite sobrepresiones

(presin mxima) cercanas al 10%

Figura 4. Vlvula de Accin Directa (Turmon, 1999)

Esta vlvula de seguridad es la ms comn en la industria qumica de

procesos. Es una vlvula mantenida cerrada por la accin de un muelle o resorte

con una boquilla de abertura total debajo del asiento, con sombrerete o bonete

abierto o cerrado rodeando el resorte y unos anillos de ajuste para variar el margen

o intervalo entre la presin de tarado y la presin de re-asiento o cierre despus de

la descarga de alivio de presin. (Turmo, 1999)

Vlvulas de Seguridad de presin indirecta:

Las VS indirectas son las que poseen otra vlvula de control la cual no debe

de depender de ningn tipo de energa de entrada. En estos casos la vlvula piloto

toma una muestra de presin y somete a un esfuerzo mecnico un resorte graduado

donde al vences esta presin destinada esta puede cerrar el sistema de seguridad

de la vlvula principal.

Figura 5. Vlvula de Accin Indirecta (Turmon, 1999)

A continuacin el autor Turmo enumera unas ventajas de este tipo de vlvulas:

La ventaja principal es la reduccin del margen entre la presin de

servicio y la de accionamiento, y poder funcionar a presiones bajas

Diseadas para permanecer hermticamente cerradas hasta que se

alcanza la presin de tarado. Adecuadas cuando la presin de servicio

supera el 90% de la presin de accionamiento.

La vibracin de la vlvula debido a la contrapresin no es posible.

No se ve afectada por la contrapresin.

Se pueden utilizar en servicio de vapor o lquido con contrapresiones

superiores al 50%.

La presin de la vlvula piloto y de asiento se puede verificar con la

vlvula en servicio.

Ahora el mismo autor menciona los inconvenientes que presentan las mismas

vlvulas:

El inconveniente principal es que la vlvula piloto slo funciona

satisfactoriamente en un servicio limpio, tal como con agua y vapor de

agua. Los conductos estrechos de la vlvula piloto estn sujetos a

obturaciones en servicio sucio o cuando ocurran solidificaciones o

precipitaciones en la descarga.

Necesitan caractersticas de diseo no relacionadas generalmente con

las vlvulas de resorte de accin directa, tales como un filtro en el

conducto sensor si el servicio es sucio y una vlvula de retencin si la

vlvula descarga a un sistema colector en una antorcha de quemado.

Tienen lmites de temperatura ms restrictivos que las vlvulas de

resorte de accin directa.

La tecnologa es ms complicada y se necesita un mejor conocimiento

para especificarlas e instalarlas correctamente.

Vlvulas de Seguridad Equilibradas

Las vlvulas equilibradas son aquellas que presentan tambin el efecto de

contrapresin sin embargo mediante dispositivos mecnicos (pistones en la mayora

de los casos) logran equilibrarlo.

Estas vlvulas presentan un pistn entre el resorte y el disco de cierre, donde

se busca que el pistn tenga un rea igual al rea efectiva del asiento, donde se

podr cancelar el efecto de contrapresin.

Figura 6. Vlvula Equilibrada con Pistn (Turmon, 1999)

Ahora bien tambin se debe obtener un mapa sencillo de cmo seleccionar los

dispositivos de alivio de presin para esto la gua NTP510 utiliza el siguiente mapa

de ideas donde explotan el uso de discos de ruptura ya que estos son los ms

utilizados en las industrias.

Figura 7. Mapa de ideas de seleccin segn NTP510

Conclusiones

Despus de realizado esta investigacin bibliogrfica se puede concluir:

Las vlvulas de seguridad son de suma importancia para el proteccin de un

sistema de vapor y de las personas que puedan estar alrededor.

La mala seleccin de una vlvula de seguridad es tan peligroso como no

tenerla.

Existen muchas guas, normas y clculos para realizar una buena seleccin de

vlvulas de seguridad que cumplan con los requerimientos del sistema

La seleccin de una vlvula de seguridad depende de muchas variables que

se deben de tomar en cuenta desde el diseo del sistema de vapor.

Bibliografa

Comeval (s.f). Criterios Diseo y Seleccin Vlvulas de Seguridad y Alivio. Boletn

Tcnico. Comeval SL. Valencia. Espaa. Rescatado el: 22 de febrero del 2015. Tomado

de: http://www.comeval.es/pdf/boletines/comeval_seguridad_alivio.pdf

SAIDI (s.f) Vlvulas de Seguridad: SAIDI. Madrid, Espaa. Rescatado el 18 de

Febrero del 2015. Tomado de:

http://www.saidi.es/PDF/Corporate/SAIDI_PRODUCTS_CATALOGUE/SAIDI_Tosaca_Valv

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Turmo, E. (1999). NTP510: Vlvulas de Seguridad: Seleccin. Ministerio de Trabajo

y asuntos sociales. Instituto Nacional de Seguridad E Higiene En El Trabajo. Espaa.

Rescatado el 22 de Febrero del 2015. Tomado de:

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/5

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Apollo Valves (s.f). Vlvulas de seguridad y Alivio. Apollo Valve, CONBRACO

Industries. Estados Unidos. Recastado el 24 de febrero del 2015. Tomado de:

http://www.apollovalves.com/_literature/cat_SRCA90SP.pdf

Cejalvo A (1996). NTP346: Vlvulas de Seguridad II: Capacidad de Alivio y

dimensionado. Ministerio de Trabajo y asuntos sociales. Instituto Nacional de Seguridad E

Higiene En El Trabajo. Espaa. Rescatado el 22 de Febrero del 2015. Tomado de:

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/3

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Samson (2012). Gua para el clculo de vlvulas, Ejemplos de clculo de vlvulas.

Agosto del 2012. Rescatado el 24 de febrero del 2015. Tomado de:

http://www.samson.de/pdf_in/t00040es.pdf