DATOS TÉCNICOS Caudal, evaluación del coeficiente de caudal y diámetro de paso

Transcripción

1 Evaluación de la talla de las válvulas Es importante elegir bien la talla de las válvulas. Si seleccionamos una válvula demasiado grande o demasiado pequeña, habrá efectos nefastos en el funcionamiento del sistema. Subdimensionar una válvula conlleva : 1) reducir el caudal deseado 2) provocar la vaporización de los líquidos a la salida de la válvula ) ocasionar una pérdida importante de carga en las tuberías y en la válvula 4) disminuir la presión de salida Sobredimensionar una válvula conlleva : 1) aumentar el coste de las instalaciones por causa de equipos sobredimensionados Para las electroválvulas de mando asistido : 2) provocar un caudal variable de la válvula o incluso un mando irregular del caudal a causa de un P insuficiente ) reducir la duración de vida de ciertas válvulas a causa de las oscilaciones en las partes internas cuando el caudal no está en la medida de mantener las presiones diferenciales internas necesarias 4) ocasionar una utilización irregular de ciertas válvulas : por ejemplo, una válvula de tres y cuatro orificios corre el rieo de no cambiar de posición porque el caudal es insuficiente 5) disminuir la duración de vida de los asientos y clapets por la aparición de un fenómeno de cavitación unido a la rapidez de circulación del fluido. Definición del coeficiente de caudal El coeficiente de caudal en m/h o l/min es un caudal volumétrico experimental (capacitado) realizado a través de una válvula que para un racordaje específico, tendrá las condiciones siguientes : - pérdida de presión admisible ( p ) a través de la válvula igual a 10 5 Pa (1 bar) - el fluido vehiculado es agua para una temperatura de 278 K a 1 K (5 C a 40 C) - la unidad de caudal volumétrica es el m/h o l/min El valor del coeficiente de caudal se obtiene por medio de la ecuación siguiente a partir de resultados de tests : = Q p. ρ p. ρ w donde : Q es el caudal volumétrico medido en m /h o en l/min p es la pérdida de carga admisible 105 Pa (ver arriba) p es la pérdida de carga admisible en pascals, medida a través de la válvula ρ es la masa volúmica del fluido en kg/ ρ w m es la masa volúmica del agua (ver arriba) en kg/m (según norma CEI 54) DATOS TÉCNICOS Caudal, evaluación del coeficiente de caudal y diámetro de paso Condiciones a tener en cuenta Por regla general, es necesario reunir el máximo de condiciones al sujeto de la aplicación considerada : Caudal - Está indicado en metros cúbicos por hora (m/h) para los líquidos, en Normal metros cúbicos por hora (Nm /h) para los gases, o en kilogramos por hora (kg/h) para el vapor. Este valor lo define el usuario : leyendo las informaciones escritas sobre las placas de señalización de los materiales de bombeo, diagramas de forjas o incluso con cálculos. Presión de entrada (p1) - Este valor se obtiene cuando se conoce la fuente de alimentación o colocando un manómetro cerca de la entrada de la válvula. Presión de salida (p2) - Este valor se obtiene sobre el manómetro, pero forma con frecuencia parte de las especificaciones concernientes a la pérdida de carga en el sistema. Si se conoce la presión de entrada y la pérdida de carga, es fácil calcular la presión de salida. Pérdida de carga ( p) - En los sistemas complicados o de talla grande, es aconsejable mantener la pérdida de carga a través de la válvula a un nivel mínimo. Por otro lado el usuario tiene con frecuencia sus propias especificaciones en lo concerniente a este coeficiente. Si la válvula se descarga al aire libre y si el fluido vehiculado es un líquido, la pérdida de carga es evidentemente igual a la presión de entrada. Cuando se procede a la selección de una válvula que vehiculará un gas o vapor, no se puede tener en cuenta, para expresar la pérdida de carga utilizada en las fórmulas, mas de un 50 % de la presión de entrada (corrientemente llamada pérdida de carga crítica). Esto se aplica incluso si la válvula debe descargar a la atmósfera. En todos los demás casos, la pérdida de carga será la diferencia entre las presiones de entrada y de salida. Nota : Es con frecuencia difícil entender el significado del término presión diferencial mínima de funcionamiento (ver página V045). Ciertas electroválvulas de mando asistido funcionan gracias a una presión diferencial creada en el interior de la válvula. Esta presión diferencial es la diferencia entre las condiciones de entrada y de salida de la válvula entera. Si únicamente se conocen los datos de caudal sin tener las condiciones de presión, es necesario utilizar las tablas o las fórmulas para calcular la pérdida de carga que resulta. Si la pérdida de carga es inferior a la presión diferencial necesaria, la válvula está sobredimensionada. En este caso, será necesario proponer una válvula con una presión diferencial mínima de funcionamiento inferior o elegir una válvula de talla más pequeña con un coeficiente de caudal más bajo. Las fórmulas necesarias para determinar el coeficiente de caudal son bastante complicadas: esta es la razón por la cual ASCO/JOUCOMATIC ofrece una serie de tablas de caudal para reducir este problema. El cálculo de caudal para un fluido ha sido reducido a una fórmula de base: kv= Se encontrarán fácilmente los coeficientes F gm, F, F gl, situando los parámetros conocidos para cada aplicación en las tablas I a X de las páginas siguiente (ver ejemplos de cálculo al dorso). Las tablas de abajo permiten evaluar los coeficientes de caudal si el diámetro de paso aproximado es conocido, o viceversa. Este cuadro se basa en las propiedades de las válvulas en línea. Para un dimensionamiento preciso de la válvula y una conversión de los coeficientes de caudal de una válvula específica en caudal real, es necesario consultar las tablas de caudal así como los valores reales de los definidos en las páginas de cada producto. Ø paso aprox. aprox. Ø paso aprox. aprox. (mm) (m³/h) (l/min) (mm) (m³/h) (l/min) 0,8 1,2 1,6 2,4,2,6 4,8 6, ,02 0,05 0,08 0,17 0,26 0,1 0,45 0,60 1,5 1,7 Caudal solicitado : Q Coeficiente(s) : F gm, F, F gl 0, 0,8 1, 2,8 4, 5,17 7,50 10,0 25,0 28, 1 50, ,7 18 4,5 75,0 19 6, V050-1 A

2 EJEMPLOS DE PROBLEMAS LIQUIDOS (tablas I y III) Para encontrar el coeficiente de caudal : Cual es el coeficiente de caudal necesario para permitir el paso de 22 litros de aceite por minuto con una densidad relativa de 0,9 y una pérdida de carga de 1,5 bar? La viscosidad es inferior a 9 Engler. Solución : La fórmula será : AIRE Y GAS (tablas I y IV a VII) Para encontrar el coeficiente de caudal : Buscamos una válvula que vehiculará 14 Nm /h a una presión de entrada de 4 bar y para una pérdida de carga ( p) de 0,5 bar. Cual será el coeficiente de caudal cuando el fluido vehiculado es dióxido de carbono? Solución : Dirigirse a la tabla VI (presión de entrada de 1 a 10 bar). La fórmula utilizada será : VAPOR (tablas VIII a X) Para encontrar el coeficiente de caudal : Buscamos una válvula que vehiculará 25 kg/h de vapor saturado a una presión de entrada de 1 bar y una pérdida de carga( p) de 0,2 bar. Cual es el coeficiente de caudal? Solución : Remitirse a las tablas de vapor correspondientes (tablas VIII y IX). La formula utilizada será: Q (m /h) = F gm (m /h). F Q (Nm /h) (Nm /h) = F. F gm Q (kg/h) (m /h) = F gm Q (l/min) = F gl (m /h). F Q (Nm /h) (Nl/min) = F. F gl Q (kg/h) (l/min) = F gl Para encontrar los coeficientes Fgl y Fgm, utilizar la tabla (III) de caudal de los líquidos. El coeficiente Fgm corresponde a una pérdida de carga de 1,5 bar y es igual a 1,25. El coeficiente Fgl correspondiente es 0,075. Obtenemos el coeficiente F a partir de la tabla I. Corresponde a una densidad relativa de 0,9 y es igual a 1,05. Localizar el Fgm a partir de la intersección de la presión de entrada 4 bar y de la característica de pérdida de carga p=0,5 bar. Descender para encontrar Fgm = 4,5. El coeficiente correspondiente Fgl es 2,61. Remitirse al F correspondiente a la densidad relativa del dióxido de carbono (= 1,5) en el diagrama I F = 0,81 Aplicación numérica : Localizar los coeficientes Fgm y Fgl en las tablas VIII o IX, intersección de la presión de entrada 1 bar y de p 0,2 bar. Descender para encontrar : Fgm = 1,8 y Fgl = 0,8 Aplicación numérica : Aplicación numérica : = = ,., m/h Q (Nm /h) = = 14 =, Nm /h F. F 4, 5081., 04 gm gl Q (Nm /h) = = 14 =, Nl/min F. F ,., 662 Q (kg/h) = = 25 = 18, 1, 8 F gm F gl m/h Q (kg/h) = = 25 = 0 l/min 08, Fórmula para los líquidos Fórmula para los gases (con corrección de la temperatura) (1) (S.G.) (kg/m ) : densidad relativa con respecto al agua (líquidos) (S.G.)N (kg/m ) : densidad relativa con respecto al aire (gas) T 1 ( C) : temperatura del fluido en la entrada de la válvula T2 ( C) : temperatura del fluido en la salida de la válvula Q (m /h) : caudal QN (Nm /h) : caudal volumétrico a través de la válvula (m /h) : coeficiente de caudal p 1 (bar) : presión en la entrada de la válvula p 2 (bar) : presión en la salida de la válvula Dp (bar) : pérdida de carga V050-2 (1) Para el cálculo del caudal volumétrico QN es necesario conocer: - el coeficiente KV - la densidad (S.G.)N del fluido - la pérdida de carga Dp a través de la válvula - la presión del fluido p 2 después de la válvula - la temperatura del fluido T1 antes de la válvula

3 Tabla I : Determinación del coeficiente F Caudal - DATOS TÉCNICOS Tabla II : Determinación del coeficiente Ft de corrección de temperatura A coeficiente F coeficiente Ft OTRAS DENSIDADES Densidad relativa (S.G.) densidad relativa (para 1 bar absoluto y 15 C) OTRAS TEMPERATURAS TEMPERATURA DEL FLUIDO t 2 ( C) En un intervalo de -7 C a +65 C la corrección de temperatura a efectuar es muy pequeña y puede ser ignorada para aplicaciones corrientes Tabla III : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para un líquido 0,54 0,48 0,42 Coeficiente Fgm (m /h) 0,6 0,0 0,24 0,18 0,12 0,06 0,0 0 V050-

4 Tabla IV : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para aire o gas Presión de entrada de 0,01a 0,1 bar (manométrica) Coeficiente Fgm (m /h) 0,17 0,18 0,21 0,24 0,27 0,0 0,6 0,42 0,48 0,54 Tabla V : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para aire o gas Presión de entrada de 0,1 a 1 bar (manométrica) Coeficiente Fgm (m /h) 0,24 0,0 0,6 0,42 0,48 0,6 0,72 0,84 0,96 1,08 1,2 1,2 1,44 1,56 1,68 1,8 1,92 2,04 0,54 0,66 0,78 0,9 1,02 1,14 1,26 1,8 1,5 1,62 1,74 1,86 1,98 2,1 V050-4

5 Tabla VI : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para aire o gas A Presión de entrada de 1a 10 bar (manométrica) 0,6 1,2 1,8 2,4,0 Coeficiente Fgm (m /h),6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 7,8 8,4 9 9,6 1,02 1,08 Tabla VII : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para aire o gas Presión de entrada de 10 a 100 bar (manométrica) Coeficiente Fgm (m /h) V050-5

6 Tabla VIII : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para el vapor Presión de entrada de 0,1a 1 bar (manométrica) 0,18 0, 0,24 Coeficiente Fgm (m /h) 0,42 0,54 0,66 0,78 0,9 1,02 1,08 1,14 1,2 1,26 1,2 1,8 1,44 1,5 1,56 1,62 1,68 0,6 0,48 0,6 0,72 0,84 0,96 Tabla IX : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para el vapor Presión de entrada de 1 a10 bar (manométrica) 0 0,6 1,2 Tabla X : Determinación de los coeficientes de caudal Fgm y Fgl para el vapor Presión de entrada de 10 a 100 bar (manométrica) 0 6 V ,8 18 2,4,0 24,6 0 4,2 6 4,8 42 5,4 48 6,0 54 6,6 60 Coeficiente Fgm (m /h) 7,2 7,8 8,4 9,6 Coeficiente Fgm (m /h)

7 OTRAS FÓRMULAS DE CAUDAL Y OTROS DATOS FÍSICOS Definición del coeficiente de caudal (o Cv) El coeficiente de caudal de una válvula (o Cv) es el caudal del agua (densidad de Caudal - DATOS TÉCNICOS 1) expresada en unidades de volumen A por unidad de tiempo B. Este caudal atravesará una válvula teniendo una pérdida de carga igual a la unidad de presión C. (ver cuadro de abajo) A Cuadro de conversión y Cv unidades volumen "A" tiempo "B" presión "C" símbolo fórmulas de conversión litro min. bar l 16,7 = 17, Cve = 14,4 Cv metro cúbico hora bar 0,06 l = 1,04 Cve = 0,865 Cv galón GB min. psi Cve 0,058 l = 0,i6 = 0,8 Cv galón US min. psi Cv 0,069 l = 1,6 = 1,2 Cve Cálculos de caudal Información general : Los valores de pérdida de carga que no figuran en las curvas pueden ser determinados por interpolación en las tablas. Sin embargo, podemos obtener resultados más precisos para el cálculo de los valores buscados, y esto, gracias a las fórmulas siguientes (sobre las cuales están basadas las tablas de caudal) : p 1 = presión absoluta de entrada (bar) = presión manométrica + presión atmosférica igual a 1,01 bar p 2 = presión absoluta a la salida (bar) = presión manométrica + presión atmosférica igual a 1,01 bar p = p1 - p2 = pérdida de carga a través de la válvula (bar) t = 0 C Nota : En la mayoría de los sistemas, conviene mantener la pérdida de carga a un nivel mínimo. Si es necesario - en el caso de líquidos - la pérdida de carga puede ser igual a la presión total de entrada (manométrica). El caso es igual para el aire, los gases y el vapor yendo hasta una presión de entrada manométrica de 1,01 bar. Sin embargo para estos fluidos, no es necesario utilizar jamás un p superior al 50 % de la presión de entrada absoluta, manera de evitar pérdidas de carga excesivas que corren el rieo de provocar un caudal irregular. Si el p no es específico y si esta información es necesaria para poder dimensionar la válvula, se puede calcular rápidamente la pérdida de carga tomando un 10 % de la presión de entrada. Líquidos Fgm = p (m /h) y Fgl = 006, p (l/min) Ejemplo: para p = 1,7 bar, tendremos. Fgm = 1, (m /h) y Fgl = 0,08 (l/min) Nota : Si la viscosidad del fluido es superior a 00 SSU (alrededor de 9 E), el valor del coeficiente de caudal debe ser modificado, consultar. Aire y gas F = 18 gm, 9 p ( 2 p 1 p) (m³/h) Fgl = 11, p ( 2p 1 p) (l/min) Ejemplo: Dp = 0,4 bar; p 1 = bar relativos o 4,01 bar absolutos. Cálculo: F gm = 18, 90, 4( 8, 026 0, 4) = m /h F gl = 11, 0, (, 04, ) = 197, l/min Nota : Las fórmulas para los gases no se aplican con precisión más que para una temperatura de fluido de 20 C (con arreglo a este catálogo, el metro cúbico standard Nm ha sido definido para 20 C y 1,01 bar absoluto). A temperatura diferente t 2 ( C) - ver tabla II - el valor del coeficiente de caudal 1 debe ser modificado con ayuda del coeficiente corrector siguiente : F = 29 t 27 + t2 Densidad de ciertos líquidos a 20 C (con relación al agua a 4 C) Alcohol etílico 0,79 Benceno 0,88 Tetracloruro de carbono 1,589 Aceite de ricino 0,95 Fuel n 1 0,8 Fuel n 2 0,84 Fuel n 0,89 Fuel n 4 0,91 Fuel n 5 0,95 Fuel n 6 0,99 Gasolina 0,75 a 0,78 Glicerina 1,26 Aceite de linaza 0,94 Aceite de oliva 0,98 Terebintina 0,862 Agua 1,000 El coeficiente de caudal real es 2 = F t 1 Vapores (p.ej. refrigerantes) Para el vapor : F = 15 gm, 8 p( 2 P 1 P) (m³/h) Fgl = 095, p( 2P 1 P) (l/min) Ejemplo: Dp = 7 bar, p 1 = 40 bar o Cálculo: 41,01 bar abs. F gm = 15,8 7( 82, 026 7) = 6 m /h F gl = 0, 95 7( 82, 026 7) = 21,8 l/ min Nota 1 : Las fórmulas que se aplican al vapor conciernen al vapor saturado. Para el vapor recalentado, será necesario aplicar un coeficiente corrector. En este caso, consultar a ASCO/JOUCOMATIC. Nota 2 : Para otros vapores (como por ejemplo los clorofluorocarbonos (CFC)), es necesario utilizar otros coeficientes Densidad de ciertos gases (para una temperatura de 20 C, a la presión atmosférica y con respecto al aire) Acetileno 0,91 Aire 1,000 Amoníaco 0,596 Butano 2,067 Dióxido de carbono 1,5 Cloro 2,486 Etano 1,05 Cloruro de etileno 2,26 Helio 0,18 Metano 0,554 Cloruro de metileno 1,785 Nitrógeno 0,971 Oxígeno 1,105 Propano 1,56 Dióxido de azufre 2,264 V050-7

8 V050-8