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Curso Válvulas deControl
AADECA
Ing. Eduardo Néstor ÁlvarezDimensionamiento
Dimensionamiento de Válvulas de control
ANTECEDENTES
1960 Primer Antecedente FLUID CONTROL INSTITUTE
1967 ISA establece un comité para el desarrollo y publicación deecuaciones normalizadas de dimensionamiento.
Norma de referencia ANSI ISA S 75.01 que se asemeja a laIEC 534-2-1 y 534-2-2
APROXIMACIÓN TEÓRICABÁSICA 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 laenergía
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
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
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 circulacuando GF es unitario (agua) y P2 -P1 también .
A esta expresión se la corrige de diversos modospara el cálculo de la capacidad necesaria de lasVálvulas en diversos estados de carga y paradistintas fases.
Cv Kv AvCV = Q/ (N1.Fp.( P2 -P1 )/GF)½ (Cálculo en Volumen)
CV = W/ (N6.Fp.( P2 -P1 )/γ)½ (Cálculo en Masa)
Kv = (0.865). Cv
Av = (2.4 10-5).Cv
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 dela del agua.
Datos para la Selección y Dimensionamiento
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 ycuerpo de las Válvulas
Donde:
ν: viscosidad cinemática Pv: presión de vapor
Pc : Presión Crítica
Gf: Relación de Peso específico del fluido en lascondiciones de Proceso respecto del agua en las mismascondiciones.
P1 :presión de entrada
P2: presión de salida
DP= P1 - P2 Caída de presiones en la Válvula
T1 : Temperatura de entrada
Qmáx, Qnorm, Qmín caudales en las condiciones demáximo, normal y mínimo de funcionamiento del proceso
Zona de Trabajo Válvula
Segundo Paso:Determinar el coeficiente de Corrección de unidades ( hay tablas
para usar el adecuado), N1 volumen, N6 masa
Tercer Paso:Determinar el Factor de corrección por geometria de la Cañería (
Piping ) Fp , solo si hay accesorios o reductores directamentefijados a la entrada y/o salida de la válvula.Si no hay tales , elfactor es 1. En el caso de válvulas rotatorias con reductoresincluidos este factor ya se incluye en el Cv de la válvula.
10,865
0,0865
gpmm3/hm3/h
barpsia
kPaN1
Cuarto Paso:Determinar el
Caudal Limite Máximo
o bien elcorrespondiente
DP máx
para considerar laposibilidad de un flujo¨Ahogado¨ por lascondiciones del proceso.Tipico problema de laVaporización por pasarpor una presión masbaja que Pv .
Quinto Paso : Determinar el Cv
Cv de la válvula para líquidos y caudal volumétricousamos la siguiente ecuación.
CV = Q / {N1 .Fp .[(P1 - P2 )/Gf ]½}
Paso seis : elegir la válvula que cubra este CV
Determinación de Fp
Es mejor usar datos de los fabricantes determinadosexperimentalmente , de lo contrario se deben determinarlos 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 decarga de los accesorios a la entrada y salidade la válvula
Kß1 , Kß2 son los coeficientes de Bernouilli ala entrada y a la salida de la válvula
K1 K2
Para el caso mas usual de un reductor concentricocorto 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 ala 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 reductoresidénticos en la entrada y la salida queda
ΣK = K1 + K2dado que los efectos de los coeficientes deBernoulli se compensan cuando son iguales.
Si son iguales D1 Y D2
K1 +K2 = 1,5 * ( 1 – ß12 ) 2
Flujo ahogado “choked”
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 aguasarriba
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 deentrada
Si ∆ Pmáx < (P1 –P2)
Se debe recalcular todo con ∆ Pmáx
Puesto que eso indica que habrá flujo “ahogado”
Ejemplifica lafigura la diferenciaentre válvulas dealta recuperación
de presión respectode las de baja.
Cálculo para Gases Paso 1
Variables a tener en cuenta y hallar los valores porcálculo o de las tablas basado en norma ISA
Características de Gas: Gg , M , k , Z y γ 1
Caidas de Presión , P1 , P2 ó ∆ PTemperaturas , T1
Rangos de Control Qmáx, Qnorm, Qmín
Compatibilidad con materiales de juntas ycuerpo de las Válvulas
Segundo Paso Gases: Determinar el coeficiente deCorrección de unidades ( hay tablas para usar el adecuado),
volumen y Gg N7, volumen y M N9
,masa y γ1 N6 o masa y M N8Donde Gg Gravedad Especifíca del Gas (Relativa al Aire)
M = peso molecular del gas.
γ1 = peso específico del gas.
El volumen se puede especificar indistintamente scfh o m3/h
La masa se puede especificar indistintamente en lb/h o kg/h
Segundo Paso Gases:
Tercer Paso
Tercer Paso:
Determinar el Factor de corrección por geometría de la Cañería (
Piping ) Fp , solo si hay accesorios o reductores directamentefijados a la entrada y/o salida de la válvula.Si no hay tales , el factores 1. En el caso de válvulas rotatorias con reductores incluidos estefactor ya se incluye en el Cv de la válvula.
Si fuese necesario Fp se calcula como para los líquidos.
Cuarto Paso Determinar el factor de expansión
Y = 1 - ( X / 3 . FK . Xt )
(k=cp/cv) = relación de calores específicos del gas(exponente de la evolución adiabática)
FK = k / 1,4 Relación entre k del gas y el del aire
X = ∆ P / P1 relación de caída de presión
Determinar el factor de expansión sigue
Xt = relación de presiones tales que se produce el caudal
máximo o crítico si FK = 1 y cuando no hay accesorios enla entrada y/o salida de la Válvula.
debe cumplirse que X < FK . Xt para el cálculo de yo de Cv, en caso de haber accesorios la
condición queda X < FK . X t p
Es decir X nunca debe superar a Xt o a X t p
Límite del valor del factor de expansión
Y tiene entonces debido a que despues el flujoes crítico un valor mínimo dado por:
Y = 1 - ( X / 3 . FK . Xt ) = 1 – (1/3) = 0.667
Y >= 0.667
Cv de la válvula para gases usando las sig. Ecuaciónes.
Calculo en Volumen
CV = Q / N7 .Fp .P1 .Y.(X/Gg.T1 .Z )½
Cálculo en masa
CV = Q / N6. Fp .P1. Y.(X. P1..γ 1)½
Para predicción de ruido usar
Cg = 40 . CV .(Xt) ½
Calcular el Cv con la ecuación adecuada
Determinación de Xtp
Donde: N5 es una constante la hallamos en la tabla de Constantes
Kj = K1 +KB1 Coeficiente de resistencia y de Bernoulli aguas arriba.
Lo demás se calcula como hemos visto previamente
clasesclasificadas
Presiones que soportan las distintas clases clasificadasrespecto de la temperatura Para Cuerpos de Cr Mo .
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 , VICada clase tiene un límite de pérdidas permitido dado por la
norma
Pérdidas En las Válvulas
ANSI I-VIEjemplo: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 ymínimo que deja pasar una válvulacumpliendo con su curva característica
RL = RH . (α ) ½ α = ∆ Pmín / ∆ Pmáx
RESOLUCIÓN:
La menor variación de la posición delvástago y por ende de caudal en respuesta auna acción de control. El recorrido de unavávlula globo se podrá dividir en 60 si la
válvula funciona sin posicionador .
Hoja deespecificac
iones
Hoja deespecifica
ciones
Hoja deespecifica
ciones
Hoja deespecifica
ciones