Curso Válvulas de Control AADECA. Ing. Eduardo Néstor Álvarez Dimensionamiento

Transcripción

1 Curso Válvulas de Control AADECA Ing. Eduardo Néstor Álvarez Dimensionamiento

2 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 que se asemeja a la IEC y

3 APROXIMACIÓN TEÓRICA BÁSICA PARA LÍQUIDOS

4 Variables en el flujo incompresible Usaremos estos nombres en lo que sigue P = Presión = = Peso Específico V = Velocidad h = altura geométrica g = aceleración de la gravedad Entonces teniendo en cuenta la conservación de la energía

5 Ecuación de Continuidad Caudal = Q = A1 V1 = A2.V2 Como A2 < A1 entonces V2 > V1 Relación de Diámetros ß = D 2 / D 1 Relación de Áreas ß 2 = A 2 / A 1

6 Bernoulli P/= + V 2 / 2g + h = cte O bien: P 1 /= + V 12 / 2g + h 1 = P 2 /= + V 22 / 2g + h 2

7 Continuidad A1 V1 = A2.V2 V1 = V2.( A2/ A1) Pero ß 2 = A 2 / A 1 Entonces V1 = V2. ß 2

8 Coeficiente de Flujo Q = Área2 x Coeficiente x Velocidad2 Por continuidad V1 = V2. ß 2 Y reuniendo por Bernouilli y Continuidad V2 = [(2g x(p2 -P1 )/= ) ½ ]/( 1 ß 4 ) ½ V2 = [2g x(p2 -P1 )/(=/ = H2O )] ½ ]/[( 1 ß 4 ). = H2O ] ½ Y siendo G F = (=/ = H2O ) Q = Área x Coeficiente x (2g x(p 2 -P 1 )/ G F )½ Coeficiente = C /[( 1 ß 4 ). = H2O ] ½

9 Coeficiente de Flujo C = coeficiente de descarga. Agrupando C V = Área x C x (2g)½ /C /[( 1 ß 4 ). = H2O ] ½ Resulta Q = C V (( P 2 -P 1 )/ G F )½ Expresión teórica para Líquidos C V = coeficiente de Flujo de la Válvula

10 Dimensionamiento de Válvulas Q = C V (( P 2 -P 1 )/G F )½ o sea C V = Q/ (( P 2 -P 1 )/G F )½ Podemos decir que el Cv es el caudal que circula cuando GF es unitario (agua) y P 2 -P 1 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.

11 Cv Kv Av C V = Q/ (N1.Fp.( P 2 -P 1 )/G F )½ (Cálculo en Volumen) C V = W/ (N6.Fp.( P 2 -P 1 )/=)½ (Cálculo en Masa) Kv = (0.865). Cv Av = ( ).Cv

12 Dimensionamiento de Válvulas El 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.

13 Datos para la Selección y Dimensionamiento Primer Paso Buscar valores y calcular : Características del Fluido, Pv, Pc, Gf Caidas de Presión, P 1, P 2, DP Temperaturas, T 1 Rangos de Control Q máx, Q norm, Q mín Compatibilidad con materiales de juntas y cuerpo de las Válvulas

14 Donde: : 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. P 1 :presión de entrada P 2 : presión de salida DP= P 1 - P 2 Caída de presiones en la Válvula T 1 : Temperatura de entrada Q máx, Q norm, Q mín caudales en las condiciones de máximo, normal y mínimo de funcionamiento del proceso

15 Zona de Trabajo Válvula

16 Segundo Paso: Determinar el coeficiente de Corrección de unidades ( hay tablas para usar el adecuado), N1 volumen, N6 masa 0,0865 m3/h kpa N1 0,865 m3/h bar 1 gpm psia 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.

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18 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.

19 Quinto Paso : Determinar el Cv Cv de la válvula para líquidos y caudal volumétrico usamos la siguiente ecuación. C V = Q / {N1.Fp.[(P 1 - P 2 )/Gf ]½} Paso seis : elegir la válvula que cubra este C V

20 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+ (C V / d 2 ). (ZK / N 2 )] -1/2 N 2 depende de las unidades (mm o pulgadas) d : diámetro nominal propuesto de la válvula Cv es el máximo de la válvula propuesta

21 Donde ZK = 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

22 K 1 K 2 Para el caso mas usual de un reductor concentrico corto los valores son K 1 = 0,5 * ( 1 d/d 12 ) 2 K 2 = 1,0 * ( 1 d/d 22 ) 2 a la entrada a la salida D 1 = diámetro de la cañería aguas Arriba D 2 = diámetro de la cañería aguas Abajo d = diámetro de la válvula

23 Kß1, Kß2 son los coeficientes de Bernouilli a la entrada y a la salida de la válvula Sus expresiones son: Kß 1 = ( 1 (d/d 1 ) 4 ) Kß 2 = ( 1 (d/d 2 ) 4 ) D 1 = diámetro de la cañería aguas Arriba D 2 = diámetro de la cañería aguas Abajo d = diámetro de la válvula

24 K 1 +K 2 Para una válvula instalada con reductores idénticos en la entrada y la salida queda ZK = K1 + K2 dado que los efectos de los coeficientes de Bernoulli se compensan cuando son iguales. Si son iguales D1 Y D2 K 1 +K 2 = 1,5 * ( 1 ß 12 ) 2

25 Flujo ahogado choked

26 Determinación del caudal límite Q máx Q máx = N1 x F L x C V x((p 1 -F F x Pv )/G F )½ Donde : F F = 0,96 0,28 x (Pv / Pc )½ Pv / Pc = relacion entre presión de vapor y presión crítica(abs)

27 Determinación del caudal límite Q máx F L = Factor de Recuperación, dato de la válvula elegida Si la válvula se instala con accesorios reductores se usa en lugar de F L el cociente entre F LP / Fp donde: F LP = [1 / (F L ) 2 + (C V / d 2 ) 2. (K 1 / N 2 )] -1/2 ) Donde K 1 = K 1 + K B1 Con K 1 = Coeficiente de pérdidas de Carga en los accesorios aguas arriba Donde K B1 = Coeficiente Bernoulli aguas arriba (entrada)

28 Ejemplo de Tabla de Coeficientes de Válvulas Las casas comerciales publican los coeficientes para el cálculo, determinados experimentalmente, los incluyen también en sus programas de dimensionamiento.

29 Determinación del DeltaP límite ^ P máx (allowable sizing pressure drop) Considerando sin accesorios será ^ Pmáx L = F 2 L (P - 1 F x Pv ) F Cuando hay accesorios ^ Pmáx LP = (F LP / Fp ) 2 (P 1 -F F x Pv )

30 Determinación del DeltaP límite ^ P máx Donde : P 1 = presión absoluta en la entrada Pv = Presión de Vapor Absoluta a la temperatura de entrada Si ^ P máx < (P1 P2) Se debe recalcular todo con ^ P máx Puesto que eso indica que habrá flujo ahogado

31 Ejemplifica la figura la diferencia entre válvulas de alta recuperación de presión respecto de las de baja.

32 Cálculo para Gases Paso 1 Variables a tener en cuenta y hallar los valores por cálculo o de las tablas basado en norma ISA Características de Gas: Gg, M, k, Z y = 1 Caidas de Presión, P 1, P 2 ó ^ P Temperaturas, T 1 Rangos de Control Q máx, Q norm, Q mín Compatibilidad con materiales de juntas y cuerpo de las Válvulas

33 Segundo Paso Gases: Segundo Paso Gases: Determinar el coeficiente de Corrección de unidades ( hay tablas para usar el adecuado), volumen y Gg N7, volumen y M N9,masa y = 1 N6 o masa y M N8 Donde Gg Gravedad Especifíca del Gas (Relativa al Aire) M = peso molecular del gas. = 1 = 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

34 Tercer Paso Tercer Paso: Determinar el Factor de corrección por geometría 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. Si fuese necesario Fp se calcula como para los líquidos.

35 Cuarto Paso Determinar el factor de expansión Y = 1 - ( X / 3. F K. X t ) (k=cp/cv) = relación de calores específicos del gas (exponente de la evolución adiabática) F K = k / 1,4 Relación entre k del gas y el del aire X = ^ P / P 1 relación de caída de presión

36 Determinar el factor de expansión sigue X t = relación de presiones tales que se produce el caudal máximo o crítico si F K = 1 y cuando no hay accesorios en la entrada y/o salida de la Válvula. debe cumplirse que X < F K. X t para el cálculo de y o de Cv, en caso de haber accesorios la condición queda X < F K. X t p Es decir X nunca debe superar a X t o a X t p

37 Límite del valor del factor de expansión Y tiene entonces debido a que despues el flujo es crítico un valor mínimo dado por: Y = 1 - ( X / 3. F K. X t ) = 1 (1/3) = Y >= 0.667

38 Cv de la válvula para gases usando las sig. Ecuaciónes. Calculo en Volumen C V = Q / N7.Fp.P 1. Y.(X/Gg.T1.Z )½ Cálculo en masa C V = Q / N6. Fp.P 1. Y.(X. P 1.. = 1 )½ Para predicción de ruido usar Cg = 40. C V.(X t ) ½

39 Calcular el Cv con la ecuación adecuada

40 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

41 Presiones que soportan las distintas clases clasificadas respecto de la temperatura Para Cuerpos de Cr Mo. clases clasificadas

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43 Pérdidas En las Válvulas Clasificación de las Válvulas por las Perdidas Norma ANSI/FCI (Antes ANSI B ) 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 ejemplo Clase ANSI I, II, III, IV, V, VI Cada clase tiene un límite de pérdidas permitido dado por la norma

44 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 GPM III - 0.1% Capacidad Promedio 1 GPM IV % Capacidad Promedio 0.1 GPM V ml/min/in. port dia./psi 0.15 ml VI - Gotas/min por el tamaño del asiento 6 Gotas/min

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49 RANGEABILITY El cociente entre los caudales máximo y mínimo que deja pasar una válvula cumpliendo con su curva característica RL = RH. (` ) ½ ` = ^ 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.

50 Hoja de especificac iones

51 Hoja de especifica ciones

52 Hoja de especifica ciones

53 Hoja de especifica ciones