Curso Válvulas de Control AADECA 2005 Ing. Eduardo Néstor Álvarez Dimensionamiento

Transcripción

1 Curso Válvulas de Control AADECA 2005 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 γ = 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/γ + V 2 / 2g + h = cte O bien: P 1 /γ + V 1 2 / 2g + h 1 = P 2 /γ + V 2 2 / 2g + h 2

7 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 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 )/γ ) ½ ]/( 1 ß 4 ) ½ V2 = [2g x(p2 -P1 )/(γ/ γ H2O )] ½ ]/[( 1 ß 4 ). γ H2O ] ½ Y siendo G F = (γ/ γ H2O ) Q = Área x Coeficiente x (2g x(p 2 -P 1 )/ G F )½ Coeficiente = C /[( 1 ß 4 ). γ H2O ] ½

9 Coeficiente de Flujo Donde C = coeficiente de descarga. Agrupando C V = Área x C x (2g)½ /C /[( 1 ß 4 ). γ 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 C V = Q/ (N1.Fp.( P 2 -P 1 )/G F )½ (Cálculo en Volumen) C V = W/ (N6.Fp.( P 2 -P 1 )/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

12 Gf es la relación del peso específico del fluido respecto de la del agua. 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,

13 Datos, Selección y Dimensionamiento 1 Primer Paso Buscar valores y calcular : Características del Fluido ν, 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 Características del Fluido Primer Paso Buscar valores y calcular : Características del Fluido ν, Pv, Pc, Gf ν: 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.

15 Presiones Temperatura y caída de Presión Primer Paso Buscar valores y calcular : Caidas de Presión, P 1, P 2, DP Temperaturas, T 1 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

16 Rangos de Control y Compatibilidad Q máx, Q norm, Q mín Q máx, Q norm, Q mín caudales en las condiciones de máximo, normal y mínimo de funcionamiento del proceso Compatibilidad con materiales de juntas y cuerpo de las Válvulas

17 Zona de Trabajo Válvula

18 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.

19 Tabla de Coeficientes

20 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.

21 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 Es necesario entonces buscar en tablas o calcular Fp

22 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 ßa partir de lo cual se calcula así Fp = [1+ (C V / d 2 ). (ΣK / 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

23 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

24 d diámetro de la válvula 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

25 d diámetro de la válvula 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

26 K 1 +K 2 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 K 1 +K 2 = 1,5 * ( 1 ß 12 ) 2

27 Determinar N2 N 2 Longitudes en 0,0214 mm 890 inch

28 Flujo ahogado choked Q = C V. (P 1 -P 2 )/Gf Ecuación 1

29 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)

30 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)

31 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.

32 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 )

33 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

34 Alta y Baja Recuperación Ejemplifica la figura la diferencia entre válvulas de alta recuperación de presión respecto de las de baja. Pv

35 Cavitación y Flashing

36 Ensayo Dinámico de Válvulas en Laboratorio

37 Relación Cv Kv K = C d 2 V C v = 29,9 d K 2

38 Características Inherentes VARIACIÓN DE FLUJO EN FUNCIÓN DE LA ELEVACIÓN DEL VÁSTAGO COMO FRACCIÓN DE LA ELEVACIÓN MÁXIMA PARA UN DELTAPRESION CONSTANTE

39 Características Instaladas Cuando la Válvula actúa modifica el Delta P que ve en el proceso por lo cual la característica difiere de la inherente que es a DeltaP constante

40 Selección de la característica para Nivel de Líquidos Relación de Delta P con la carga Delta P constante Disminución del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es mayor que el 20% del Delta P de carga mínima Disminución del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es menor que el 20% del Delta P de carga mínima Amento del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es menor que el 200% del Delta P de carga mínima Amento del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El DeltaP a carga máxima es mayor que el 200% del Delta P de carga mínima Característica inherente recomendada Lineal Lineal Porcentaje Igual Lineal Apertura Rápida Estos son lineamientos generales, puede haber excepciones.

41 Selección de la característica para control de caudal Señal de medición de caudal al controlador Ubicación de la Válvula respecto del elemento de Medición Característica Inherente Recomendada Variaciones grandes desde el Set Point Variaciones Pequeñas desde el Set Point pero con variaciones grandes de DeltaP cuando se aumenta la carga En Serie Lineal Porcentaje igual Proporcional al caudal En By Pass (1) Lineal Porcentaje igual Proporcional al cuadrado del caudal En Serie En By Pass (1) Lineal Porcentaje igual Porcentaje igual Porcentaje igual (1) Cuando la valvula se cierra la medición sube en el Transmisor

42 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

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

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45 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

46 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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51 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.

52 Hoja de especificac iones

53 Hoja de especifica ciones

54 Hoja de especifica ciones

55 Hoja de especifica ciones