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• Camila Gutierrez

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HEURISTICA DE VALVULAS

DISEÑO DE PLANTAS I

GRUPO Nº 7

UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA

BARRANQUILLA – ATLANTICO 2019

Introducción

La utilización de válvulas y accesorios resulta muy necesaria para los diferentes sistemas de flujo de fluidos, para ello se fabrican válvulas con especificaciones concretas con un uso determinado, por ejemplo, las válvulas se utilizan para controlarla cantidad de flujo y pueden ser de globo, de ángulo, de compuerta, de mariposa, de retención de distintos tipos y de muchas configuraciones más. Se pueden identificar diferentes categorías y tipos de válvulas que son entendidas, todavía es difícil tomar una decisión racional sobre qué tipo de válvula es la mejor para una aplicación dada. Para saber qué tipo de válvula se debe conseguir según la necesidad que lo amerita habrá que realizar detalladamente el análisis de las características de las diferentes válvulas que hay, se puede estar buscando compacidad, alto rendimiento, bajo costo o características avanzadas; cualquiera que sea el caso habrá una válvula que mejor se adapte a sus necesidades. Al seleccionar las válvulas, sus características de flujo son importantes, pero otras cuestiones de diseño como la pérdida de carga, la fiabilidad y el coste son factores igualmente importantes que deben tenerse en cuenta al realizar la selección final de la válvula.

TIPOS DE VÁLVULAS Y SUS DISTINTOS FUNCIONAMIENTOS Las válvulas son dispositivos con características móviles que permite abrir y cerrar una vía de circulación con el fin de permitir, prevenir o controlar el flujo de fluidos. Son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vacío hasta más de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia. Tipos de válvulas: válvula de bola, válvula de mariposa, válvula tipo plug, válvula esférica y se pueden clasificar: Por la funcionalidad de la válvula:  Control: Regular la presión / caudal.  Cierre por sobre velocidad del fluido. (como por ejemplo cierre de la válvula en caso de rotura de la tubería aguas abajo)  Protección a sobrepresiones.  Prevenir el retorno del fluido (válvula de retención o antiretorno).  Servicio de abrir/cerrar Por la naturaleza y condiciones físicas del fluido:       

Bajas/Altas temperaturas. Presiones altas. Riesgo de cavitación. Características corrosivas del fluido. Fluidez/viscosidad: Gas, líquido, sólidos. Requerimientos higiénicos (industria alimentaria, farmaceutica). Riesgo de explosión o inflamabilidad (industria química, petroquímica).

Se pueden tener estas consideraciones para la selección de las válvulas: Si el elemento de cierre 'rota' en la vía de circulación para detener el flujo, por ejemplo: válvula de bola, válvula de mariposa. Si el elemento de cierre actúa como un 'sello o tapón' en la vía de circulación para detener el flujo, por ejemplo: válvula de globo. Si el elemento de cierre de la válvula es 'insertado' en la vía de circulación para detener el flujo, por ejemplo: válvula de compuerta. Si la vía de circulación por si misma es 'pinchada desde el exterior' para detener el flujo, por ejemplo: válvula de diafragma.

HEURISTICA Criterio de selección general de válvulas de control Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: 1. Los valores normales y límites de presión que soporta el cuerpo de la válvula 2. Dimensionamiento y capacidad de flujo 3. Característica de flujo y rangeabilidad 4. Límites de temperatura 5. Caudal de fuga 6. Pérdidas de presiones normales y cuando la válvula está cerrada 7. Requerimientos de las conexiones de la válvula al sistema de cañería 8. Compatibilidad del material con la aplicación y durabilidad 9. Costo y vida útil Los proveedores de válvulas suministran al usuario tablas de selección en función de la aplicación. Comentaremos, en particular, las características de flujo de las válvulas de control. CARACTERÍSTICA DE FLUJO Un criterio importante en la selección de las válvulas es la característica inherente de flujo que define la relación caudal - apertura del elemento final de control cuando la caída de presión a través de la válvula se mantiene constante. En forma equivalente, la característica de flujo inherente es la relación entre coeficiente de flujo Cv y la apertura. Las características inherentes de flujo típicas son: lineal, igual porcentaje, parabólica y apertura rápida. La elección de la característica de flujo inherente tiene influencia en la estabilidad y el control debido a la influencia de la ganancia del cuerpo de la válvula en la ganancia global de los elementos del lazo. La Figura 1 muestra las distintas características de flujo de las válvulas comerciales.

Figura 1. Característica inherente de válvulas de control comerciales

Recomendaciones para elegir la característica de flujo de válvulas de control en lazos de caudal, nivel y presión: Tabla 1. Sistemas de nivel liquido Caída de presión de la válvula de control Constante Δp Δp decreciente con carga creciente, Δp con carga máxima al 20% Incremento Δp con incremento en la carga, Δp con carga máxima menor que 200% de su carga mínima en Δp Incremento Δp con incremento en la carga, Δp con carga máxima mayor que 200% de su carga mínima en Δp Tabla 2. Control de sistemas de presión Aplicación Proceso liquido Proceso en gas, volumen pequeño, menor a 10ft de tubería entre la válvula de control y la válvula de carga Proceso en gas, volumen grande (proceso tiene receptor, distribución del sistema o transmisión en línea excediendo 100 ft de volumen de tuberia nominal) decrece el Δp con incremento en la carga, Δp un máximo de carga mayor que 20 %

Mejor característica inherente Lineal Lineal Lineal

Apertura rápida

Mejor característica inherente Igual porcentaje Igual porcentaje

Lineal

Tabla 3. Control de flujo de proceso Señal de medicion de flujo al controlador

Ubicación de la válvula de control en relación a el elemento de medición

PROPORCIONAL AL FLUJO PROPORCIONAL AL FLUJO CUADRADO

En serie En derivada En serie En derivada

MEJOR CARACTERISTICA INHERENTE Amplio rango de punto Pequeño rango de de ajuste de flujo flujo pero grande ΔP con incremento den la carga Lineal Igual porcentaje Lineal Igual porcentaje Lineal Igual porcentaje Igual porcentaje Igual porcentaje

Las válvulas de control requieren una caída de al menos 10 psi para un buen control. Las válvulas de globo se utilizan para gases, para el control y dondequiera que se requiera un cierre hermético. Las válvulas de compuerta son para la mayoría de los demás servicios. Control de flujo en líneas y provisión para aislamiento de equipos cuando es necesario se realizan con válvulas. Los tipos básicos son relativamente pocos. En las válvulas de compuerta el flujo es recto y está regulado subiendo o bajando la puerta. La mayoría de las válvulas en el son de este tipo. En la posición de apertura amplia causan poco caída de presión. En las válvulas de paso recto, el flujo cambia de dirección y produce una fricción apreciable incluso en la posición de apertura total. Un buen control requiere una caída de presión sustancial a través de la válvula. Para sistemas bombeados, la caída a través de la válvula debe ser de al menos 1/3 de la caída de presión en el sistema, con un mínimo de 15 psi. Cuando la variación esperada en el flujo es pequeña, esta regla puede relajarse. En líneas de transporte de líquidos largas, por ejemplo, una válvula de control completamente abierta puede absorber menos del 1% de la caída de presión del sistema. En sistemas con bombas centrífugas, la variación de altura con capacidad debe tenerse en cuenta al dimensionar la válvula. La caída de la válvula puede variar con el flujo en un sistema de este tipo. Al dimensionar las válvulas de control de líquido, utilice por primera vez ∆𝑃𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 = 𝐾(𝑃1 − 𝑟𝑐𝑃𝑣 )

(1)

Donde ∆𝑃𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 presión diferencial máxima admisible para fines de dimensionamiento, psi, 𝐾𝑚 coeficiente de recuperación de la válvula, 𝑃1 presión de entrada del cuerpo, psia, 𝑟𝑐 relación de presión crítica; presión de vapor del líquido a la temperatura de entrada del cuerpo, psia. 𝐺

La fórmula de dimensionado del líquido es 𝐶𝑣 = √∆𝑃

(2)

Donde 𝐶𝑣 es el coeficiente de dimensionamiento del líquido A ∆𝑃 se le denomina caída de presión y se calcula a partir de PU-PD, que es la diferencia de presión detectada entre los puntos ubicados aguas arriba y aguas abajo de la válvula. El término G representa la gravedad específica del fluido sin unidades. Tenga cuidado de observar que CV no es un factor sin unidades.

Del catálogo se determina el diámetro de la válvula según el Cv requerido en función de la apertura. Si el diámetro de la válvula y cañería son los mismos allí termina el dimensionamiento. Debe tenerse en cuenta que el Cv disponible por el fabricante puede ser mayor que el requerido lo que con lleva al cálculo de los nuevos caudales. Si el diámetro de la válvula y la cañería son diferentes se debe tener en cuenta la pérdida de carga adicional usando un factor de corrección para recalcular el CV requerido. El CV corregido se calcula como: 𝑪𝒗 𝑪𝒐𝒓𝒓𝒆𝒈𝒊𝒅𝒐 =

𝑪𝒗 𝑪𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐 𝑹

(3)

R: Factor de corrección de capacidad por reducción y se calcula:

(4) d: diámetro de la válvula D: diámetro de la cañería

BIBLIOGRAFIA [1] Manual de mantenimiento industrial. Robert C. Rosaler. James O. Rice. Tomo III. Editorial McGraw-Hill. Instrumentación para medición y control. W.G. Holzbock. Publicaciones C.E.C. s.a. Realizado por: Enrique José caroli.

[2] https://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-valves.html [3] L., R. (2015). Mecánica de fluidos. (7a. Ed.) Pearson Educación. Página: 258. Tomado de http://dbvirtual.uniatlantico.edu.co:2694/?il=3704&pg=258 [4] Lieberman, N. P, & Lieberman, E. T. (2008). A working guide to process equipment (3ª ed.). México, México: Mc Graw Hill.