Características de las válvulas de control

Están disponibles varios tipos de características de flujo. Este tutorial discute los tres tipos principales utilizados en aplicaciones de flujo de agua y vapor: apertura rápida, lineal y porcentaje igual de flujo; cómo se comparan, y cómo (y por qué) deben coincidir con la aplicación en la que se utilizan.

Características de flujo Todas las válvulas de control tienen una característica de flujo inherente que define la relación entre la ‘apertura de la válvula’ y el caudal bajo condiciones de presión constante. Tenga en cuenta que ‘apertura de la válvula’ en este contexto se refiere a la posición relativa del obturador de la válvula respecto a su posición cerrada contra el asiento de la válvula. No se refiere al área de paso del orificio. El área de paso del orificio a veces se denomina ‘garganta de la válvula’ y es el punto más estrecho entre el obturador y el asiento de la válvula por donde pasa el fluido en cualquier momento. Para cualquier válvula, independientemente de cómo esté caracterizada, la relación entre el caudal y el área de paso del orificio es siempre directamente proporcional.

Las válvulas de cualquier tamaño o característica de flujo inherente que estén sujetas al mismo caudal volumétrico y presión diferencial tendrán exactamente la misma área de paso del orificio. Sin embargo, diferentes características de válvula darán diferentes ‘aperturas de válvula’ para la misma área de paso. Comparando válvulas lineales y de porcentaje igual, una válvula lineal podría tener una apertura de válvula del 25% para una cierta caída de presión y caudal, mientras que una válvula de porcentaje igual podría tener una apertura de válvula del 65% para exactamente las mismas condiciones. Las áreas de paso del orificio serán las mismas.

La forma física del conjunto de obturador y asiento, a veces denominado ‘trim’ de la válvula, causa la diferencia en la apertura de la válvula entre estas válvulas. Las formas típicas de trim para válvulas de globo operadas por husillo se comparan en la Figura 6.5.1. En este Módulo, el término ‘levantamiento de válvula’ se usa para definir la apertura de la válvula, ya sea que la válvula sea de globo (movimiento arriba y abajo del obturador respecto al asiento) o rotativa (movimiento lateral del obturador respecto al asiento).

Las válvulas rotativas (por ejemplo, de bola y mariposa) cada una tienen una curva característica básica, pero alterando los detalles del obturador de bola o mariposa se puede modificar esto. Las características de flujo inherentes de válvulas de globo y rotativas típicas se comparan en la Figura 6.5.2.

Ejemplos de estas y sus características inherentes se muestran en las Figuras 6.5.1 y 6.5.2.

Característica de apertura rápida El obturador de válvula con característica de apertura rápida proporcionará un gran cambio en el caudal para un pequeño levantamiento de válvula desde la posición cerrada. Por ejemplo, un levantamiento de válvula del 50% puede resultar en un área de paso del orificio y caudal de hasta el 90% de su potencial máximo.

Una válvula que utiliza este tipo de obturador a veces se denomina con característica de ‘encendido/apagado’.

A diferencia de las características lineales y de porcentaje igual, la forma exacta de la curva de apertura rápida no está definida en las normas. Por lo tanto, dos válvulas, una que proporciona un 80% de flujo para un 50% de levantamiento, la otra un 90% de flujo para un 60% de levantamiento, pueden considerarse ambas como con característica de apertura rápida.

Las válvulas de apertura rápida tienden a ser accionadas eléctricamente o neumáticamente y se usan para control de ‘encendido/apagado’.

El tipo de válvula de control de auto-accionamiento tiende a tener una forma de obturador similar al obturador de apertura rápida en la Figura 6.5.1. La posición del obturador responde a cambios en la presión de líquido o vapor en el sistema de control. El movimiento de este tipo de obturador de válvula puede ser extremadamente pequeño en relación con cambios pequeños en la condición controlada, y en consecuencia la válvula tiene una rangabilidad inherentemente alta. El obturador de la válvula es por lo tanto capaz de reproducir cambios pequeños en el caudal, y no debe considerarse como una válvula de control de apertura rápida.

Característica lineal El obturador de válvula con característica lineal está formado de modo que el caudal es directamente proporcional al levantamiento de la válvula (H), a una presión diferencial constante. Una válvula lineal logra esto teniendo una relación lineal entre el levantamiento de la válvula y el área de paso del orificio (ver Figura 6.5.3). Por ejemplo, al 40% de levantamiento de válvula, un tamaño de orificio del 40% permite pasar el 40% del flujo total.

Característica de porcentaje igual (o característica logarítmica) Estas válvulas tienen un obturador formado de modo que cada incremento en el levantamiento de la válvula aumenta el caudal en un cierto porcentaje del flujo anterior. La relación entre el levantamiento de la válvula y el tamaño del orificio (y por lo tanto el caudal) no es lineal sino logarítmica, y se expresa matemáticamente en la Ecuación 6.5.1: Ejemplo 6.5.1 El caudal máximo a través de una válvula de control con característica de porcentaje igual es 10 m³/h. Si la válvula tiene una rangabilidad de 50:1 y está sujeta a una presión diferencial constante, usando la Ecuación 6.5.1 ¿qué cantidad pasará a través de la válvula con levantamientos del 40%, 50% y 60% respectivamente? El aumento en el caudal volumétrico a través de este tipo de válvula de control aumenta en un porcentaje igual por cada incremento igual de movimiento de válvula:

• Cuando la válvula está abierta al 50%, pasará 1.414 m³/h, un aumento del 48% sobre el flujo de 0.956 m³/h cuando la válvula está abierta al 40%.
• Cuando la válvula está abierta al 60%, pasará 2.091 m³/h, un aumento del 48% sobre el flujo de 1.414 m³/h cuando la válvula está abierta al 50%. Se puede ver que (con una presión diferencial constante) para cualquier aumento del 10% en el levantamiento de la válvula, hay un aumento del 48% en el caudal a través de la válvula de control. Esto siempre será el caso para una válvula de porcentaje igual con rangabilidad de 50. Como dato de interés, si una válvula tiene una rangabilidad de 100, el aumento incremental en el caudal para un cambio del 10% en el levantamiento de la válvula es del 58%.

La Tabla 6.5.1 muestra cómo el cambio en el caudal se altera a través del rango de levantamiento de la válvula para la válvula de porcentaje igual en el Ejemplo 6.5.1 con una rangabilidad de 50 y una presión diferencial constante. Algunas otras características inherentes de válvulas se usan ocasionalmente, como parabólica, lineal modificada o hiperbólica, pero los tipos más comunes en fabricación son apertura rápida, lineal y porcentaje igual.

Coincidir la característica de la válvula con la característica de la instalación Cada aplicación tendrá una característica de instalación única que relaciona el flujo del fluido con la demanda de calor. La presión diferencial a través de la válvula que controla el flujo del fluido de calentamiento también puede variar:

• En sistemas de agua, la curva característica de la bomba significa que a medida que se reduce el flujo, se aumenta la presión de la válvula aguas arriba (consultar Ejemplo 6.5.2 y Módulo 6.3).
• En sistemas de control de temperatura de vapor, la caída de presión sobre la válvula de control se varía deliberadamente para satisfacer la carga térmica requerida. La característica de la válvula de control elegida para una aplicación debe resultar en una relación directa entre la apertura de la válvula y el flujo, a lo largo de la mayor parte del recorrido posible de la válvula.

Esta sección considerará las varias opciones de características de válvula para controlar sistemas de agua y vapor. En general, las válvulas lineales se usan para sistemas de agua mientras que los sistemas de vapor tienden a funcionar mejor con válvulas de porcentaje igual.

1. Un sistema de calefacción de circulación de agua con válvula de tres puertos En sistemas de agua donde un caudal constante de agua es mezclado o desviado por una válvula de tres puertos en un circuito equilibrado, la pérdida de presión sobre la válvula se mantiene lo más estable posible para mantener el equilibrio en el sistema.

Conclusión - La mejor opción en estas aplicaciones es generalmente una válvula con característica lineal. Debido a esto, las características instaladas e inherentes siempre son similares y lineales, y habrá una ganancia limitada en el lazo de control.

2. Un sistema de control de nivel de agua de caldera – un sistema de agua con válvula de dos puertos En sistemas de este tipo (un ejemplo se muestra en la Figura 6.5.6), donde una válvula de control de agua de alimentación de dos puertos varía el caudal de agua, la caída de presión a través de la válvula de control variará con el flujo. Esta variación es causada por:

• La característica de la bomba. A medida que el caudal disminuye, la presión diferencial entre la bomba y la caldera aumenta (este fenómeno se discute con más detalle en el Módulo 6.3).
• La resistencia por fricción de la tubería cambia con el caudal. La pérdida de carga por fricción es proporcional al cuadrado de la velocidad. (Este fenómeno se discute con más detalle en el Módulo 6.3).
• La presión dentro de la caldera variará en función de la carga de vapor, el tipo de sistema de control del quemador y su modo de control. Ejemplo 6.5.2 Seleccionar y dimensionar la válvula de agua de alimentación en la Figura 6.5.6 En un ejemplo simplificado (que asume una presión de caldera constante y pérdida por fricción constante en la tubería), una caldera está clasificada para producir 10 toneladas de vapor por hora. La característica de rendimiento de la bomba de agua de alimentación se tabula en la Tabla 6.5.2, junto con la presión diferencial resultante (ΔP) a través de la válvula de agua de alimentación en varios caudales en y por debajo del requisito máximo de flujo de 10 m³/h de agua de alimentación.

Nota: La ΔP de la válvula es la diferencia entre la presión de descarga de la bomba y una presión de caldera constante de 10 bar g. Note que la presión de descarga de la bomba caerá a medida que aumenta el flujo de agua de alimentación. Esto significa que la presión del agua antes de la válvula de alimentación también disminuye con el aumento del caudal, lo cual afectará la relación entre la caída de presión y el caudal a través de la válvula.

Se puede determinar de la Tabla 6.5.2 que la caída en la presión de descarga de la bomba es de aproximadamente el 26% de sin carga a carga completa, pero la caída en la presión diferencial a través de la válvula de alimentación es mucho mayor, del 72%. Si la caída de presión diferencial a través de la válvula no se tiene en cuenta al dimensionar la válvula, la válvula podría ser subdimensionada. Como se discute en los Módulos 6.2 y 6.3, las capacidades de las válvulas generalmente se miden en términos de Kv. Más específicamente, Kvs se refiere al área de paso de la válvula cuando está completamente abierta, mientras que Kvr se refiere al área de paso de la válvula según lo requerido por la aplicación.

Considere si el área de paso de una válvula completamente abierta con un Kvs de 10 es del 100%. Si la válvula se cierra de modo que el área de paso es del 60% del área de paso completamente abierta, el Kvr es también del 60% de 10 = 6. Esto se aplica independientemente de la característica inherente de la válvula. El caudal a través de la válvula en cada apertura dependerá de la presión diferencial en ese momento.

Usando los datos de la Tabla 6.5.2, la capacidad de válvula requerida, Kvr, puede calcularse para cada caudal incremental y presión diferencial de la válvula, usando la Ecuación 6.5.2, que se deriva de la Ecuación 6.3.2. El Kvr puede considerarse como la capacidad real de válvula requerida por la instalación, y si se grafica contra el caudal requerido, el gráfico resultante puede denominarse ‘curva de instalación’. En la condición de carga completa, de la Tabla 6.5.2:

Flujo requerido a través de la válvula = 10 m³/ h

ΔP a través de la válvula = 1.54 bar

De la Ecuación 6.5.2:

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Tomando el caudal de la válvula y la ΔP de la válvula de la Tabla 6.5.2, se puede determinar un Kvr para cada incremento de la Ecuación 6.5.2; y estos se tabulan en la Tabla 6.5.3. Construcción de la curva de instalación El Kvr de 8.06 satisface la condición de flujo máximo de 10 m3/h para este ejemplo.

La curva de instalación podría construirse comparando el caudal con el Kvr, pero generalmente es más conveniente ver la curva de instalación en términos porcentuales. Esto simplemente significa el porcentaje de Kvr respecto a Kvs, o en otras palabras, el porcentaje del área de paso real respecto al área de paso completamente abierta.

Para este ejemplo: La curva de instalación se construye tomando la relación de Kvr en cualquier carga respecto al Kvs de 8.06. Una válvula con un Kvs de 8.06 estaría ‘perfectamente dimensionada’, y describiría la curva de instalación, como se tabula en la Tabla 6.5.4, y se dibuja en la Figura 6.5.7. Esta curva de instalación puede considerarse como la capacidad de válvula de una válvula perfectamente dimensionada para este ejemplo.**** Se puede ver que, como la válvula está ‘perfectamente dimensionada’ para esta instalación, el caudal máximo se satisface cuando la válvula está completamente abierta.

Sin embargo, es improbable e indeseable seleccionar una válvula perfectamente dimensionada. En la práctica, la válvula seleccionada generalmente sería al menos un tamaño mayor, y por lo tanto tendría un Kvs mayor que el Kvr de instalación.

Como una válvula con un Kvs de 8.06 no está disponible comercialmente, la siguiente válvula estándar mayor tendría un Kvs de 10 con conexiones nominales DN25.

Es interesante comparar válvulas lineales y de porcentaje igual con un Kvs de 10 contra la curva de instalación para este ejemplo.

Considere una válvula con característica inherente lineal Una válvula con característica lineal significa que la relación entre el levantamiento de la válvula y el área de paso del orificio es lineal. Por lo tanto, tanto el área de paso como el levantamiento de la válvula en cualquier condición de flujo es simplemente el Kvr expresado como proporción del Kvs de la válvula. Por ejemplo:**** Se puede ver de la Tabla 6.5.4 que en el caudal máximo de 10 m³/h, el Kvr es 8.06. Si la válvula lineal tiene un Kvs de 10, para que la válvula satisfaga el caudal máximo requerido, la válvula se levantará: Usando la misma rutina, el tamaño del orificio y el levantamiento de válvula requeridos en varios caudales pueden determinarse para la válvula lineal, como se muestra en la Tabla 6.5.5. Una válvula de porcentaje igual requerirá exactamente la misma área de paso para satisfacer el mismo caudal máximo, pero su levantamiento será diferente al de la válvula lineal.

Considere una válvula con característica inherente de porcentaje igual

Dada una rangabilidad de válvula de 50:1, τ = 50, el levantamiento (H) puede determinarse usando la Ecuación 6.5.1: El porcentaje de levantamiento de válvula se denota por la Ecuación 6.5.3. Como el caudal volumétrico a través de cualquier válvula es proporcional al área de paso del orificio, la Ecuación 6.5.3 puede modificarse para dar el levantamiento de válvula de porcentaje igual en términos del área de paso y por lo tanto del Kv.

Esto se muestra en la Ecuación 6.5.4. Como ya se calculó, el Kvr en el caudal máximo de 10 m³/h es 8.06, y el Kvs de la válvula DN25 es 10. Usando la Ecuación 6.5.4 el levantamiento de válvula requerido a carga completa es por lo tanto:por lo tanto:

Tabla**** 6.5.10 Comparación de levantamientos de válvula (Kvs 160) el Kvr y la curva de instalación

*La curva de instalación es el porcentaje de Kvr en cualquier carga respecto al Kvr en carga máxima

Se puede ver de la Figura 6.5.11 que ambas curvas de válvula se han movido a la izquierda cuando se comparan con las válvulas más pequeñas (correctamente dimensionadas) de la Figura 6.5.10, mientras que la curva de instalación permanece estática.

El cambio para la válvula lineal es bastante dramático; se puede ver que, al 30% de carga, la válvula está solo abierta al 10%. Incluso al 85% de carga, la válvula está solo abierta al 30%. También se puede observar que el cambio en el caudal es grande para un cambio relativamente pequeño en el levantamiento. Esto efectivamente significa que la válvula está operando como una válvula de acción rápida hasta el 90% de su rango. Este no es el mejor tipo de característica inherente para este tipo de instalación de vapor, ya que generalmente es mejor que los cambios en el flujo de vapor ocurran con bastante lentitud.

Aunque la curva de la válvula de porcentaje igual ha cambiado de posición, todavía está a la derecha de la curva de instalación y es capaz de proporcionar un buen control. La parte inferior de su curva es relativamente plana, ofreciendo una apertura más lenta durante su recorrido inicial, y es mejor para controlar el flujo de vapor que la válvula lineal en este caso.

Las circunstancias que pueden llevar al sobredimensionamiento incluyen:

• Los datos de la aplicación son aproximados, por lo tanto se incluye un ‘factor de seguridad’ adicional.
• Rutinas de dimensionamiento que incluyen ‘factores’ operativos como un excesivo margen para el ensuciamiento.
• El Kvr calculado es solo ligeramente superior al Kvs de una válvula estándar, y se debe seleccionar el siguiente tamaño mayor. También hay situaciones donde:
• La caída de presión disponible sobre la válvula de control a carga completa es baja. Por ejemplo, si la presión de suministro de vapor es 4.5 bar a y la presión de vapor requerida en el intercambiador de calor a carga completa es 4 bar a, esto solo proporciona una caída de presión del 11% a carga completa.
• La carga mínima es mucho menor que la carga máxima. Una característica de válvula lineal significaría que el obturador de la válvula opera cerca del asiento, con la posibilidad de daño.

En estas circunstancias comunes, la característica de porcentaje igual proporcionará una solución mucho más flexible y práctica.

Es por esto que la mayoría de los fabricantes de válvulas de control recomendarán una característica de porcentaje igual para válvulas de control de dos puertos, especialmente cuando se usan en fluidos compresibles como el vapor.

Por favor note: Dada la oportunidad, es mejor dimensionar las válvulas de vapor con la mayor caída de presión posible a carga máxima; incluso con caída de presión crítica ocurriendo a través de la válvula de control si las condiciones lo permiten. Esto ayuda a reducir el tamaño y costo de la válvula de control, proporciona una curva de instalación más lineal, y ofrece la oportunidad de seleccionar una válvula lineal.

Sin embargo, las condiciones pueden no permitir esto. La válvula solo puede dimensionarse según las condiciones de la aplicación. Por ejemplo, si la presión de trabajo del intercambiador de calor es 4.5 bar a, y la presión máxima de vapor disponible es solo 5 bar a, la válvula solo puede dimensionarse con una caída de presión del 10% ([5 – 4.5]/5). En esta situación, dimensionar la válvula con caída de presión crítica habría reducido el tamaño de la válvula de control y privado al intercambiador de calor de vapor.

Si fuera imposible aumentar la presión de suministro de vapor, una solución sería instalar un intercambiador de calor que opere a una presión de trabajo menor. De esta manera, la caída de presión aumentaría a través de la válvula de control. Esto podría resultar en una válvula más pequeña pero también en un intercambiador de calor mayor, ya que la temperatura de operación del intercambiador de calor es ahora menor.

Otro conjunto de ventajas se obtiene de intercambiadores de calor más grandes que operan a presiones de vapor más bajas:

• Hay menos propensión a la incrustación y ensuciamiento en las superficies de calentamiento.
• Se produce menos vapor flash en el sistema de condensado.
• Hay menos contrapresión en el sistema de condensado. Se debe lograr un equilibrio entre el costo de la válvula de control y el intercambiador de calor, la capacidad de la válvula para controlar correctamente, y los efectos en el resto del sistema como se vio anteriormente. En sistemas de vapor, las válvulas de porcentaje igual generalmente serán una mejor elección que las válvulas lineales, porque si ocurren caídas de presión bajas, tendrán menos efecto en su rendimiento a lo largo del rango completo de movimiento de la válvula.