FORMACIÓN EN VÁLVULAS DE CONTROL: CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑOS SEGÚN CONDICIONES DE PROCESO

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1 FORMACIÓN EN VÁLVULAS DE CONTROL: CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑOS SEGÚN CONDICIONES DE PROCESO. Alberto Argilés Ringo Válvulas S.L. 1.- Introducción La válvula de control manipula el fluido que pasa por ella para compensar una variación de una variable y mantenerla regulada lo más posible al punto deseado. Dicha manipulación del fluido se consigue mediante el control del nivel de apertura o carrera de la válvula, este proceso de estrangulación del fluido genera una pérdida de carga en la válvula, que en aplicaciones críticas como válvulas de bypass de turbina o válvulas de vapor, se puede convertir en un proceso con alto nivel de energía, que se transforma en fenómenos que pueden ser dañinos para todo el sistema como son la cavitación, el ruido, las vibraciones o las altas velocidades. El correcto dimensionado de la válvula de control pasa por dos puntos clave: El primero es diseñar la válvula que se ajuste a los parámetros de control del fluido que son requerido para el sistema determinado; en otras palabras relacionar la carrera de la válvula en cada punto con la capacidad de regular fluido de la misma. El segundo punto pasa por evitar que los fenómenos nocivos asociados a dicho proceso sean perjudiciales para el sistema, para ello también es necesario diseñar la válvula con la capacidad de transformar y disipar la energía asociada al fenómeno nocivo correspondiente. En esta ponencia de formación se explica brevemente el proceso de análisis y selección de una válvula de control para las diferentes condiciones de proceso. Debido a que el tipo más común de las válvulas de control es el diseño de válvula tipo globo guiada por caja (Figura 1), esta ponencia se centra en dicho diseño y en la selección los internos correspondientes para este tipo de válvula de control. Ringo Válvulas fábrica desde más de 30 años éste tipo de diseño para sus válvulas de control, ya que el guiado por caja proporciona mayor estabilidad al conjunto de internos, reduciendo las vibraciones y permitiendo un control mejor del proceso y de todos sus efectos. 1

2 Figura 1 Descripción de las principales componentes de una válvula de control tipo globo 2.- Selección de la válvula de control Como se ha comentado en la introducción, la selección de una válvula de control pasa por los siguientes puntos: Diseñar la válvula que de la regulación requerida por el proceso para las condiciones determinadas del mismo y la selección de soluciones para evitar los distintos fenómenos nocivos para el proceso Diseño de la regulación en función de las condiciones de proceso Para empezar es necesario definir la diferencia entre Cv de proceso y Cv de la válvula (comúnmente llamado capacidad). El Cv de proceso, es la relación entre la presión de entrada y salida y el caudal, para el fluido a las condiciones de temperatura del proceso. Estos parámetros de proceso son los datos de partida para el dimensionado y selección de la válvula, que pasa por el cálculo del Cv de proceso de las distintas condiciones que se requieren controlar en planta. La norma que contienen las formulas es la ANSI/ISA (IEC Mod), (Figura 2) Figura 2, a la derecha Cv proceso para gases, a la izquierda líquidos 2

3 Por ejemplo, si se quiere controlar un caudal de 600m3/h con una caída de presión de un 10 bar de agua a temperatura ambiente, el Cv de proceso sería alrededor de 220gpm. El Cv de válvula, también llamado capacidad de la válvula, es la restricción que crea la válvula al paso del fluido, está relacionado con la geometría de la válvula y la mínima sección de paso (denominado vena contracta). El Cv de la válvula es un valor determinado por el fabricante de la válvula y para cada tipo de interno tiene una relación directa con la carrera de la misma, denominada curva característica (Figura 3) Figura 3, ejemplo de curva característica con distintos puntos de operación Por lo tanto, el primer paso del dimensionado de la válvula de control, pasa por calcular el Cv de proceso de las distintas condiciones, y seleccionar una válvula que tenga un Cv total de la válvula mayor y que cada uno de los Cv de válvula correspondiente a las distintas condiciones estén a unos valores de carrera que sean aceptables para el sistema de control correspondiente. Interesa trabajar entre un 15% y un 85% de la carrera, valores por debajo del 15% pueden ocasionar perdidas de la capacidad de control debido a que una pequeña variación en apertura genera grandes variaciones de caudal en esos niveles. Valores por encima del 80% pueden ocasionar falta de capacidad de la válvula y por lo tanto sobrepresiones aguas arriba de la misma. El resto de variables que definen la curva característica dependerán de las especificaciones del servicio en que se encuentra la válvula. Una vez definida la relación Cv / carrera y el Cv máximo de la válvula, se puede conocer el tamaño mínimo de paso del interno necesario. Existen casos en los que las condiciones de proceso no presentan ningún efecto adicional relacionado con la energía del proceso (cavitación, flashing, velocidades altas y otros procesos que serán analizados en el siguiente capítulo); en esos casos vez conocido el interno se puede determinar el tamaño mínimo de la válvula, así como el empuje necesario para dimensionar el actuador y finalizar el dimensionado. 3

4 2.2- Soluciones para evitar los distintos fenómenos nocivos. En un sistema físico ideal, toda la energía de la caída de presión existente en una válvula, se transformaría en velocidad de fluido (es decir caudal) a través de la misma, según el teorema de Bernoulli (Figura 4) Figura 4: La ecuación de Bernoulli sirve como base de explicación de los fenómenos que ocurren en el interior de una válvula, teniendo en cuenta que la diferencia potencial es 0, la energía de la caída de presión es transformada en velocidad (caudal/ área), en un sistema ideal. En un sistema real, la energía de la caída de presión no se transforma toda en caudal, parte de ella se disipa en distintos fenómenos descritos a continuación: Cavitación El más conocido en el mundo de la mecánica de fluidos y posiblemente el que más problemas cause, la cavitación aparece en servicios de fluido en fase liquida. Cuando el fluido pasa por la vena contracta su velocidad aumenta, siente este punto el valor de mayor velocidad de la fluido dentro de la válvula, siguiendo la ecuación de Bernoulli esto hace que la presión en ese punto descienda más que el valor de la presión de salida, volviendo a subir hasta dicho valor posteriormente. En algunos procesos de fase liquida esto genera evaporación en burbujas y la posterior implosión de las mismas, la energía de dichas implosión causa severos daños al material (Figura 5) Figura 5, ejemplo de cavitación, cuando la presión en el interior de la válvula es menor que la presión de vapor. 4

5 Para evitar la cavitación, es necesario diseñar una válvula que evite que la presión en la vena contracta caiga por debajo de la presión de vapor; esto se consigue mediante la división del salto de presión en etapas (Figura 6). Este sistema reduce la velocidad en la vena contracta, siendo también utilizado para reducir otros fenómenos como se explicará más adelante. Figura 6: Ejemplo de sistema multi-etapa, en el caso del sistema verde con dos etapas de presión no se produce cavitación ya que la presión no desciende por debajo de la presión de vapor. Existen distintos niveles de cavitación según las condiciones de proceso, para cada uno de ellos es necesario determinar el número de etapas mínimo necesario para eliminar su efecto. Cada una de estas etapas adicionales supone una restricción al fluido, que reduce el Cv de la válvula, por lo que es necesario optimizar el número de etapas al mínimo posible, intentando además que cada una de ellas restrinja lo menos posible el Cv de la válvula. (Figura 7). El diseño Multi-cyl de Ringo Válvulas permite, mediante el sistema de áreas solapadas entre taladros, maximizar el Cv de la válvula y conseguir el número de etapas deseado. Además de proporcionar el resto de ventajas del diseño guiado por caja como son la reducción de vibraciones y el mejor mantenimiento de la válvula. Figura 7: Ejemplo de diseño de interno multi-etapa tipo Multi-cyl, cada cilindro se compone de un taladrado que en superposición con el resto genera las distintas expansiones y compresiones del fluido y la consecuentes etapas de caídas de presión. 5

6 Altas velocidades La velocidad para fluidos incompresibles está relacionada con el caudal y la inversa del area de paso, por lo que nos va a determinar el tamaño mínimo de válvula, ya que valores elevados de velocidad causan vibraciones a lo largo de todo el sistema que pueden ser dañinas para el mismo. En el caso de fluidos compresibles, además de lo nombrado en el párrafo anterior depende de la densidad, que se reduce conforme se reduce la presión; luego a la salida la velocidad será más alta que a la entrada; debido a que el único parámetro controlable en este caso es el área de paso y no conviene aumentar en exceso el tamaño de la válvula se utilizan en estos casos expansiones a la salida de las válvulas. (Figura 8) Figura 8: Válvula con cono expansión, la relación de superficies reduce la velocidad para el mismo caudal Flashing Se denomina flashing al servicio en el que el fluido se encuentra en estado líquido a la presión de entrada y en estado gaseoso a la presión de salida para la correspondiente temperatura de proceso. En este proceso además de la energía del proceso se añade la energía interna liberada debido al cambio de estado. El descenso de la densidad a la salida debido a la expansión del gas es transformado en un incremento adicional de la velocidad. Causando un daño considerable si este impacta directamente con el material. Para estos sistemas interesa que la evaporación ocurra a la salida de la válvula, intentando enfocar el fluido en zonas donde no exista material (Figura 9), además, en muchos casos la velocidad debido al descenso de la densidad también aumenta y es necesario el uso de expansiones a la salida como se explicaron en el punto

7 Figura 9: Ejemplo de servicio flashing, en este caso la evaporación no pueden evitarse y por lo tanto es necesario enfocarla para evitar el daño al material, añadiendo expansiones para reducir la velocidad Alto nivel de ruido Existen procesos en plantas térmicas, como la descarga de vapor a la atmosfera, que el nivel de ruido que se generaría debido al salto de presión y el caudal requerido sería del nivel de un avión despegando (alrededor de 130dB) El ruido aparentemente es un resumen de los tres fenómenos anteriores, está relacionado con la variación de energía en el proceso en distintas formas. Para fluidos incompresibles las fuentes de ruido están relacionadas con fenómenos anteriormente descritos como las altas velocidades o la cavitación, la supresión de dichos efectos conlleva a una reducción de ruido. Para gases, el ruido aparece debido a la energía generada por la variación de velocidades debida al cambio de presión. Que se traduce en un pico de velocidad en la vena contracta. La reducción de este pico de velocidad puede realizarse mediante diseños multi-etapa como el descrito en el punto (Figura 10) Figura 10, la línea roja representa el pico de velocidades en la vena contracta para un servicio de gas, al realizar un sistema con dos etapas, se produce una reducción del pico de velocidad debido a la resistencia que se encuentra el fluido a su paso. El efecto es el mismo que el usado en los silenciadores de los coches. 7

8 3.- Conclusiones Los puntos 2.1 y 2.2 son una explicación simplificada de las variables básicas que intervienen en el proceso de selección y dimensionado de una válvula de control. Para cada una de las posibles combinaciones entre ambos se ha de diseñar una válvula de control con unos internos adecuados para realizar la correcta regulación del proceso y la eliminación de los fenómenos nocivos. Aparte de eso intervienen muchos otros factores que no se narran en esta ponencia como son materiales metálicos y de sellado, sistemas de control, sistemas de protección de fugas al exterior, etc La aparición de más modernos software de cálculo y selección facilitan la labor de los fabricantes de válvulas a la hora de determinar la válvula más adecuada para las condiciones de proceso del cliente, pero es necesario un conocimiento de selección y dimensionado para que la válvula de control se ajuste totalmente a las condiciones requeridas. 8