Dimensionamiento de válvulas de control para sistemas de vapor

Dimensionar una válvula de control para una aplicación de vapor puede ser un asunto complejo. Este Módulo intenta arrojar luz sobre el tema utilizando primeros principios para explicar la relación entre el flujo y la caída de presión. Utiliza una tobera simple para explicar el fenómeno de la presión crítica, y cómo esto puede predecirse para el flujo de vapor a través de una válvula de control. Continúa discutiendo otras propiedades como el ruido, la erosión, y cómo el vapor se seca o sobrecalienta al pasar a través de una válvula, y proporciona varios ejemplos de tales cálculos. También compara brevemente los intercambiadores de calor de carcasa y tubo y los de placas, y muestra cómo usar tablas Kv simples para dimensionar válvulas de vapor.

Antes de discutir el dimensionamiento de válvulas de control para sistemas de vapor, es útil revisar las características del vapor en una aplicación de transferencia de calor.

• El vapor se suministra a una presión específica al lado aguas arriba de la válvula de control, a través de la cual pasa a un intercambiador de calor, que también opera a una presión específica.
• El vapor pasa a través de la válvula de control y entra en el espacio de vapor del equipo donde entra en contacto con las superficies de transferencia de calor.
• El vapor se condensa en las superficies de transferencia de calor, creando condensado.
• El volumen de condensado es mucho menor que el del vapor. Esto significa que cuando el vapor se condensa, la presión en el espacio de vapor se reduce.
• La presión reducida en el espacio de vapor significa que existe una diferencia de presión a través de la válvula de control, y el vapor fluirá desde la zona de alta presión (aguas arriba de la válvula de control) hacia la zona de baja presión (el espacio de vapor en el equipo) en alguna proporción a la diferencia de presión y, idealmente, equilibrando la velocidad a la que el vapor se está condensando.
• La velocidad de flujo de vapor hacia el equipo está gobernada por esta diferencia de presión y el tamaño del orificio de la válvula. Si en algún momento el caudal de vapor a través de la válvula es menor que la velocidad de condensación (quizás la válvula es demasiado pequeña), la presión del vapor y la velocidad de transferencia de calor en el intercambiador de calor caerán por debajo de lo requerido; el intercambiador de calor no podrá satisfacer la carga térmica.
• Si se utiliza un sistema de control modulante, a medida que la temperatura del proceso se acerca al punto de ajuste del controlador, el controlador cerrará la válvula en una cantidad relacionada, reduciendo así el caudal de vapor para mantener la presión más baja requerida para mantener una carga térmica menor. (La acción de abrir y cerrar la válvula a menudo se denomina aumentar o disminuir el ‘levantamiento de la válvula’; esto se explica con más detalle en el Módulo 6.5, ‘Características de las válvulas de control’).
• Cerrar la válvula reduce el caudal másico. La presión del vapor cae en el espacio de vapor y también la temperatura del vapor. Esto significa que existe una diferencia de temperatura menor entre el vapor y el proceso, por lo que la velocidad de transferencia de calor se reduce, de acuerdo con la Ecuación 2.5.3. El coeficiente global de transferencia de calor (U) no cambia mucho durante el proceso, y el área (A) es fija, por lo que si la diferencia de temperatura media ΔTm se reduce, entonces la transferencia de calor del vapor al fluido secundario también se reduce.

Flujo de vapor saturado a través de una válvula de control Un fabricante de intercambiadores de calor diseñará el equipo para dar una cierta salida de calor. Para lograr esta salida de calor, se requerirá una cierta temperatura de vapor saturado en la superficie de transferencia de calor (como el interior de una serpentina de calentamiento en un intercambiador de calor de carcasa y tubo). Con vapor saturado, la temperatura y la presión están estrictamente relacionadas; por lo tanto, controlar la presión del vapor regula fácilmente la temperatura.

Considere una aplicación donde el vapor a 10 bar g se suministra a una válvula de control, y una cierta masa de vapor pasa a través de la válvula hacia un intercambiador de calor. La válvula se mantiene completamente abierta (ver Figura 6.4.1).

• Si se instala una válvula DN50 y la válvula está completamente abierta, la caída de presión es relativamente pequeña a través de la válvula, y el vapor suministrado al intercambiador de calor está a una presión (y temperatura) bastante alta. Debido a esto, la serpentina de calentamiento requerida para lograr la carga de diseño es relativamente pequeña.
• Considere ahora una válvula DN40 completamente abierta en la línea de suministro de vapor que pasa el mismo caudal que la válvula DN50. Como el orificio de la válvula es más pequeño, la caída de presión a través de la válvula debe ser mayor, resultando en una presión (y temperatura) menor en el intercambiador de calor. Debido a esto, el área de transferencia de calor requerida para lograr la misma carga térmica debe aumentarse. En otras palabras, se requerirá una serpentina de calentamiento o intercambiador de calor más grande.
• Una reducción adicional del tamaño de la válvula requerirá más caída de presión a través de la válvula de control para el mismo flujo de masa, y la necesidad de un área de superficie de transferencia de calor aumentada para mantener la misma salida de calor.

Independientemente del tamaño de la válvula de control, si la demanda del proceso se reduce, la válvula debe modular desde la posición completamente abierta hacia cerrada. Sin embargo, la primera parte del recorrido tiene solo un pequeño efecto regulador, con cualquier cambio porcentual en el levantamiento de la válvula produciendo un cambio porcentual menor en el caudal. Típicamente, un cambio del 10% en el levantamiento puede producir solo un cambio del 5% en el caudal. Con mayor recorrido, a medida que el obturador de la válvula se acerca al asiento, este efecto se invierte de modo que quizás un cambio del 5% en el levantamiento puede producir un cambio del 10% en el caudal, y se logra una mejor regulación.

La parte inicial del recorrido de la válvula de control, durante la cual se ve este efecto de control reducido, es mayor con la selección de las válvulas de control más grandes y la acompañante caída de presión pequeña a carga completa. Cuando la válvula de control elegida es lo suficientemente pequeña para requerir una ‘presión crítica’ a carga completa, el efecto desaparece. La presión crítica se explica en la sección a continuación.

Además, si se selecciona una válvula de control más grande, el mayor tamaño del orificio de la válvula significa que un cambio dado en el caudal se logra con un cambio porcentual menor en el levantamiento del que se necesita con una válvula de control más pequeña.

Esto a menudo puede hacer que el control sea inestable, aumentando la posibilidad de ‘caza’, especialmente en cargas reducidas.

Presión crítica El flujo de masa de vapor que pasa a través de la válvula aumentará en línea con la presión diferencial hasta que se alcanza una condición conocida como ‘presión crítica’. El principio puede explicarse observando cómo funcionan las toberas y cómo se comparan con las válvulas de control.

Considere un orificio casi perfecto, como una tobera convergente-divergente mostrada en la Figura 6.4.2. Su forma, si está diseñada correctamente para coincidir con las condiciones de presión aguas arriba y aguas abajo y la condición del vapor suministrado, le permitirá operar con alta eficiencia. Tal tobera puede considerarse como un tipo de motor térmico, transformando energía térmica en energía mecánica (cinética). Está diseñada para descargar el peso requerido de vapor con una caída de presión dada, y con mínima turbulencia y pérdidas por fricción.

En la sección convergente, la velocidad del vapor aumenta a medida que la presión cae, aunque el volumen específico del vapor también aumenta con las presiones reducidas. Al principio, la velocidad aumenta más rápidamente que el volumen específico, y el área de flujo requerida a través de esta parte de la tobera se vuelve menor. En cierto punto, el volumen específico comienza a aumentar más rápidamente que la velocidad y el área de flujo debe hacerse mayor. En este punto, la velocidad del vapor será sónica y el área de flujo estará en su mínimo. La presión del vapor en esta área de flujo mínima o ‘garganta’ se describe como la ‘presión crítica’, y la relación de esta presión con la presión inicial (absoluta) se encuentra cercana a 0.58 cuando pasa vapor saturado.

La presión crítica varía ligeramente según las propiedades del fluido, específicamente en relación con la relación de calores específicos cp/cv del vapor (u otro fluido gaseoso), que se denomina índice adiabático o exponente isentrópico del fluido, a menudo representado por los símbolos ‘n’, ‘k’ o ‘Y’. Con vapor sobrecalentado la relación es de aproximadamente 0.55, y para aire de aproximadamente 0.53.

Así, una vez que se alcanza la caída de presión crítica en la garganta de la tobera, o en la ‘vena contracta’ cuando se usa un orificio, la reducción adicional de la presión aguas abajo no puede aumentar el flujo de masa a través del dispositivo.

Si la caída de presión a través de toda la tobera es mayor que la caída de presión crítica, la presión crítica siempre ocurrirá en la garganta. El vapor se expandirá después de pasar la garganta de modo que, si el área de salida se ha dimensionado correctamente, se logra la presión aguas abajo requerida en la salida de la tobera, y se produce poca turbulencia cuando el vapor sale de la tobera a alta velocidad.

Si la salida de la tobera es demasiado grande o demasiado pequeña, ocurrirá turbulencia en la salida de la tobera, reduciendo la capacidad y aumentando el ruido:

• Si la salida de la tobera es demasiado pequeña, el vapor no se ha expandido lo suficiente, y debe continuar expandiéndose fuera de la tobera hasta que alcance la presión aguas abajo requerida en la región de baja presión.
• Si la salida de la tobera es demasiado grande, el vapor se expandirá demasiado en la tobera y la presión del vapor en la salida de la tobera será menor que la presión requerida, causando que el vapor se recomprima fuera de la salida en la región de baja presión. La forma de la tobera (Figura 6.4.3) está suavemente contorneada de modo que la vena contracta ocurre en la garganta de la tobera. (Esto contrasta con un orificio de borde afilado, donde la vena contracta ocurre aguas abajo del orificio. El efecto de la vena contracta se discute con más detalle en el Módulo 4.2 ‘Principios de medición de flujo’). Las válvulas de control pueden compararse con toberas convergentes-divergentes, en que cada una tiene una región de alta presión (la entrada de la válvula), un área convergente (la entrada entre el obturador de la válvula y su asiento), una garganta (el espacio más estrecho entre el obturador de la válvula y su asiento), un área divergente (la salida del obturador de la válvula y su asiento), y una región de baja presión (el cuerpo de la válvula aguas abajo). Ver Figura 6.4.4. Las toberas y las válvulas de control tienen diferentes propósitos. La tobera está diseñada principalmente para aumentar la velocidad del vapor con el fin de producir trabajo (quizás para girar una paleta de turbina), por lo que se requiere que la velocidad del vapor que sale de la tobera permanezca alta.

En contraste, la válvula de control es un dispositivo de restricción de flujo o ‘estrangulación’ diseñado para producir una caída de presión significativa en el vapor. La velocidad del vapor que sale de una garganta de válvula de control se comportará de manera similar a la del vapor que sale de la garganta de una tobera convergente-divergente; en que aumentará a medida que el vapor se expande en el área divergente entre el obturador y el asiento inmediatamente después de la garganta. Si la caída de presión a través de la válvula es mayor que la caída de presión crítica, la velocidad del vapor aumentará a supersónica en esta área, ya que la presión aquí es menor que la de la garganta.

Más allá de este punto, el vapor pasa a la cámara relativamente grande encerrada por el cuerpo de la válvula (la región de baja presión), que está a mayor presión debido a la contrapresión impuesta por la tubería de conexión, causando que la velocidad y la energía cinética caigan rápidamente. De acuerdo con la ecuación de energía de flujo estacionario (SFEE), esto aumenta la entalpía del vapor a casi la del puerto de entrada de la válvula. Una ligera diferencia se debe a la energía perdida por fricción al pasar a través de la válvula.

Desde este punto, el cuerpo de la válvula converge para canalizar el flujo de vapor hacia la salida de la válvula, y la presión (y densidad) se aproximan a la presión (y densidad) en la tubería aguas abajo. A medida que esta presión se estabiliza, también lo hace la velocidad, relativa al área transversal del puerto de salida de la válvula.

El cambio relativo en volumen a través de la válvula está representado por las líneas punteadas en el diagrama esquemático mostrado en la Figura 6.4.5. Cuando la caída de presión a través de una válvula es mayor que la crítica, se puede generar ruido por el gran intercambio instantáneo de energía cinética a energía térmica en la región de baja presión, a veces exacerbado por la presencia de vapor supersónico.

Velocidad de salida de la válvula, ruido, erosión, efecto de secado y sobrecalentamiento El ruido puede ser una consideración importante al dimensionar válvulas de control, no solo porque crea niveles de sonido aumentados, sino porque su vibración asociada puede dañar los componentes internos de la válvula. Existen trims de válvula especiales reductores de ruido, pero a veces una solución menos costosa es instalar un cuerpo de válvula más grande del requerido. Se requieren ecuaciones complicadas para calcular el ruido emitido por las válvulas de control y estas son difíciles de usar manualmente. Generalmente se considera que la válvula de control producirá un ruido inaceptable si la velocidad del vapor saturado seco en la salida de la válvula de control es mayor a 0.3 Mach. La velocidad del sonido en el vapor dependerá de la temperatura del vapor y de la calidad del vapor, pero puede calcularse a partir de la Ecuación 6.4.2 si se conocen las condiciones (Mach 1 = velocidad del sonido). Un método menos preciso pero útil para estimar si el ruido será un problema es calculando la velocidad en el puerto de salida de la válvula. En términos simplificados y para vapor saturado seco, si esta es mayor a 150 m/s, hay posibilidad de que el cuerpo de la válvula sea demasiado pequeño (aunque el tamaño del trim de la válvula sea adecuado para la capacidad requerida). Velocidades más altas también causan erosión en el cuerpo de la válvula aguas abajo, especialmente si el vapor está húmedo en este punto. Se recomienda que la velocidad máxima de salida para vapor húmedo sea de 40 m/s en el puerto de salida.

Otro resultado de la caída de presión del vapor a través de una válvula de control es secar o sobrecalentar el vapor, dependiendo de su condición al entrar en la válvula. Los grandes grados de sobrecalentamiento generalmente no son deseados en procesos de calentamiento, y por lo tanto es útil poder determinar si esto ocurrirá. Sin embargo, las velocidades del vapor sobrecalentado (y gas seco) pueden permitirse alcanzar 0.5 Mach en el puerto de salida; mientras que, en el otro extremo de la escala, los líquidos podrían restringirse a una velocidad máxima de salida de 10 m/s.

Ejemplo 6.4.1 La velocidad de salida de la válvula y el efecto de secado/sobrecalentamiento Una válvula de control recibe vapor saturado seco de un separador a 12 bar g y se usa para reducir la presión del vapor a 4 bar g a carga completa. El caudal a carga completa es de 1300 kg/h requiriendo un Kvr de 8.3. Inicialmente se considera una válvula DN25 (1”) para selección, que tiene un Kvs de 10 y un área de salida de válvula de 0.000 49 m2. ¿Cuál es la velocidad del vapor en la salida de la válvula?

Determine el estado del vapor en la salida de la válvula a 4 bar g.

El grado de secado y sobrecalentamiento puede calcularse mediante el siguiente procedimiento:

De las tablas de vapor, el calor total (hg) en el vapor saturado seco aguas arriba a 12 bar g = 2 787 kJ/kg.

Como el vapor suministrado está en un estado saturado seco, el vapor ciertamente estará sobrecalentado después de pasar a través de la válvula; por lo tanto se debe usar la tabla de vapor sobrecalentado para cuantificar sus propiedades.

Usando las tablas de vapor del sitio web de Spirax Sarco, es posible calcular la condición del vapor aguas abajo a 4 bar g seleccionando ‘Vapor sobrecalentado’ e introduciendo una presión de ‘4 bar g’ y un calor total (h) de 2 787 kJ/kg.

Al introducir estos valores, la tabla de vapor devuelve el resultado de vapor sobrecalentado a 4 bar g con 16.9 grados de sobrecalentamiento (442 K). (Se proporcionan más detalles sobre cómo determinar el estado aguas abajo en el Módulo 2.3 ‘Vapor sobrecalentado’).

Volumen específico del vapor sobrecalentado, 4 bar g, 442 K es 0.391 8 m3 / kg (de la tabla de vapor). Es necesario ver si esta velocidad es menor que 0.5 Mach, el límite establecido para las velocidades de salida de la válvula para vapor sobrecalentado.

La velocidad del sonido (Mach 1) puede calcularse a partir de la Ecuación 6.4.2. Se elige un valor de 1.3 para el exponente isentrópico ‘γ’ debido a que el vapor en la salida de la válvula está sobrecalentado.

R es la constante de gas para vapor 0.461 5 kJ/kg

T es la temperatura absoluta de 442 K

Por lo tanto la velocidad del sonido en la salida de la válvula: Como el vapor está sobrecalentado en la salida de la válvula, se usa el criterio de 0.5 Mach para determinar si la válvula será ruidosa.

0.5 x 515 = 257.5 m/s

Como la velocidad esperada es de 289 m/s y está por encima del límite de 257.5 m/s, la válvula DN25 no sería adecuada para esta aplicación si el ruido es un problema.

Considere la siguiente válvula mayor, una DN32 (pero con un trim de 25 mm). El área de salida de esta válvula es de 0.000 8 m2 (ver Tabla 6.4.1). La válvula con cuerpo DN32 será adecuada porque la velocidad de salida es menor a 0.5 Mach permitido para vapor sobrecalentado.

El mismo procedimiento puede usarse para determinar las condiciones del vapor aguas abajo para otras condiciones aguas arriba. Por ejemplo, si se sabe que el vapor aguas arriba está húmedo, la condición aguas abajo podría ser húmeda, saturada seca o sobrecalentada, dependiendo de la caída de presión. La velocidad de salida permitida dependerá de la condición del vapor aguas abajo como se describió anteriormente en esta sección, y se observa en el Ejemplo 6.4.2.

Erosión Otro problema es la posibilidad de erosión en el cuerpo de la válvula causada por una velocidad excesiva en la salida de la válvula. En el Ejemplo 6.4.1, debido al efecto de secado y sobrecalentamiento de la caída de presión de 12 bar g a 4 bar g, el vapor está en un estado gaseoso seco que no contiene absolutamente ninguna humedad, y la erosión no debería ser un problema.

Simplificadamente, si se puede garantizar que el vapor que sale de una válvula de control está sobrecalentado, entonces 250 m/s es un límite adecuado para la velocidad de salida.

A veces, cuando el vapor saturado se suministra a una válvula de control, estará llevando una cierta cantidad de agua y el vapor puede ser, por ejemplo, 97% o 98% seco. Si acaba de pasar a través de un separador correctamente diseñado, estará cerca del 100% seco, como en el Ejemplo 6.4.1.

Con algo más que una pequeña caída de presión y vapor húmedo, el vapor probablemente se secará hasta el punto de saturación o incluso ligeramente sobrecalentado.

Si el vapor suministrado es seco y/o la válvula encuentra una caída de presión bastante grande (como en el Ejemplo 6.4.1), el vapor estará más sobrecalentado.

Ecuaciones para dimensionar válvulas de control Las válvulas de control no son tan eficientes como las toberas en transformar calor en energía cinética. El camino tomado por el vapor a través de la entrada de la válvula, la garganta y hacia la salida de la válvula es relativamente tortuoso.

En una válvula de control se pierde mucha más energía por fricción que en una tobera, y, porque…

• El área de salida del cuerpo de la válvula es improbable que coincida con la condición de presión aguas abajo.

• La relación entre la posición del obturador y el asiento está continuamente cambiando.

… la turbulencia siempre es probable que esté presente en la salida de la válvula.

Parece que las válvulas de control de diferentes tipos pueden parecer alcanzar condiciones de flujo crítico en caídas de presión distintas a las citadas anteriormente para las toberas. Los pasos de flujo restringidos a través del asiento de una válvula y en el lado aguas abajo de la garganta pueden significar que los caudales máximos solo se alcancen con caídas de presión algo mayores. Una válvula de bola o mariposa puede estar tan formada que se logre cierta recuperación de presión aguas abajo de la garganta, de modo que las condiciones de flujo máximo se alcancen con una caída de presión total menor de lo esperado.

Se pueden usar ecuaciones complicadas de dimensionamiento de válvulas para tener en cuenta estos y otros criterios, y existe más de una norma que incorpora tales ecuaciones.

Una de tales normas es IEC 60534. Desafortunadamente, los cálculos son tan complicados que solo pueden usarse con software informático; el cálculo manual sería tedioso y lento.

Sin embargo, al dimensionar una válvula de control para una aplicación de proceso crítica, dicho software es indispensable. Por ejemplo, IEC 60534 está diseñado para calcular otros síntomas como los niveles de ruido generados por válvulas de control sujetas a caídas de presión altas. Los fabricantes de válvulas de control generalmente tendrán software de dimensionamiento y selección por computadora que complementa su propia gama de válvulas.

Sin embargo, una ecuación simple de dimensionamiento de válvulas de vapor, como la mostrada en la Ecuación 3.21.2 para vapor saturado, es perfectamente adecuada para la gran mayoría de aplicaciones de vapor con válvulas de globo.

Además, si se considera que la presión crítica ocurre al 58% de la presión absoluta aguas arriba, es improbable que una válvula de globo esté subdimensionada.

Para simplificar, el resto de este Módulo asume que la presión crítica para vapor saturado ocurre al 58% de la presión absoluta aguas arriba.

Por ejemplo, si la presión aguas arriba de una válvula de control es de 10 bar a, el caudal máximo a través de la válvula ocurre cuando la presión aguas abajo es:

10 bar a x 58% = 5.8 bar a

Igualmente, la caída de presión crítica es el 42% de la presión aguas arriba, es decir, una relación de caída de presión de 0.42. Como se muestra en el texto anterior, una vez que se alcanza esta presión aguas abajo, cualquier aumento adicional en la caída de presión no causa un aumento en el flujo de masa.

Este efecto puede observarse en la Figura 6.4.6 que muestra cómo, en el caso de una válvula de globo, el caudal aumenta con la caída de la presión aguas abajo hasta que se logra la caída de presión crítica. Dimensionar una válvula de control para un intercambiador de calor de vapor es un compromiso entre:

1. Una caída de presión menor que minimizará el tamaño (y quizás el costo) del intercambiador de calor.
2. Una caída de presión mayor que permita a la válvula aplicar un control efectivo y preciso sobre la presión y el caudal durante la mayor parte de su recorrido.

Rutina simple de dimensionamiento para válvulas de globo en servicio de vapor El flujo y expansión del vapor a través de una válvula de control es un proceso complejo. Hay una variedad de fórmulas de dimensionamiento muy complejas disponibles, pero un enfoque pragmático, basado en el ‘mejor ajuste’ de una curva matemática a resultados empíricos, se muestra en la Ecuación 3.21.2 para válvulas de globo estrangulando vapor saturado. La ventaja de esta fórmula relativamente simple es que puede usarse con la ayuda de una calculadora simple. Asume que la caída de presión crítica ocurre al 58% de la presión aguas arriba. Nota: Si se usa la Ecuación 3.21.2 cuando P2 es menor que la presión crítica, entonces el término entre paréntesis (0.42 - chi) se vuelve negativo. Esto se toma como cero y la función dentro del signo de raíz cuadrada se vuelve unidad, y la ecuación se simplifica como se muestra en la Ecuación 6.4.3. Alternativamente, se pueden usar tablas de dimensionamiento de válvulas o Kv.

Terminología Normalmente el valor de levantamiento completo de la válvula se indicará usando el término Kvs, así: Kvr = Valor real requerido para una aplicación

Kvs = Capacidad de levantamiento completo declarada para una válvula particular

Los fabricantes proporcionan los valores Kvs de levantamiento máximo para su gama de válvulas. Por lo tanto, el valor Kv no solo se usa para dimensionar válvulas sino también como medio para comparar la capacidad de tipos y marcas de válvulas alternativas. Comparar dos válvulas DN15 de diferentes fuentes muestra que la válvula ‘A’ tiene un Kvs de 10 y la válvula ‘B’ un Kvs de 8. La válvula ‘A’ dará un caudal mayor para la misma caída de presión.

Reuniendo la información para el dimensionamiento de válvulas de vapor Se requiere cierta información mínima para determinar el tamaño correcto de la válvula:

• La presión del suministro de vapor debe conocerse.

• La presión del vapor en el intercambiador de calor para satisfacer la carga térmica máxima debe conocerse.

La diferencia entre los criterios anteriores define la presión diferencial a través de la válvula en su condición de carga completa.

• La salida de calor del equipo debe conocerse, junto con la entalpía de evaporación (hfg) a la presión de trabajo en el intercambiador de calor. Estos factores son necesarios para determinar el flujo de masa de vapor.

Ejemplo 6.4.2 Se requiere una válvula de control para la aplicación mostrada en la Figura 6.4.7.

El fabricante del intercambiador de calor de carcasa y tubo especifica que se requiere una presión de vapor de 5 bar absolutos en el haz de tubos para satisfacer una demanda de proceso de 500 kW. Vapor húmedo, con sequedad 0.96 y 10 bar a, está disponible aguas arriba de la válvula de control. La entalpía de evaporación (hfg) a 5 bar a es 2 108.23 kJ/kg. Determine el caudal de vapor Primero, es necesario determinar el estado del vapor para la condición aguas abajo de 5 bar a. Introduciendo vapor húmedo a 10 bar a, y 0.96 de sequedad en la tabla de vapor húmedo del sitio web de Spirax Sarco, se puede ver que el calor total (hg) contenido en el vapor húmedo de 10 bar es 2 697.15 kJ/kg.

La presión de diseño del intercambiador de calor es 5 bar a, y el calor total en vapor saturado seco a esta presión es 2 748.65 kJ/kg (de la tabla de vapor).

El calor total en el vapor de 10 bar (debido a su ‘humedad’) es menor que el calor total en vapor saturado a 5 bar, y por lo tanto el vapor de menor presión no contendrá suficiente calor para estar completamente seco. La fracción de sequedad del vapor de menor presión es el cociente de las dos cifras de calor total.

Fracción de sequedad del vapor de 5 bar a = 2 697.15/2 748.65

= 0.98

La energía disponible para transferencia de calor a 5 bar a es 0.98 x hfg a 5 bar a

= 0.98 x 2108.23 kJ/kg

= 2 066 kJ/kg El caudal de vapor puede determinarse ahora de la Ecuación 2.8.1, donde hfg es la entalpía de evaporación disponible después de contabilizar el vapor húmedo. Determine la relación de caída de presión (χ) a carga completa Determine el Kvr requerido

La relación de caída de presión a carga completa es mayor que 0.42, por lo que se aplican condiciones críticas y puede usarse la Ecuación 6.4.3 para encontrar el Kvr requerido. Se selecciona inicialmente una válvula de control DN25 con un Kvs de 10. Ahora puede realizarse un cálculo para determinar si el ruido es un problema con este tamaño de válvula pasando vapor húmedo en la salida de la válvula.

La velocidad del sonido en la salida de la válvula:

La válvula de control DN25 será por lo tanto inadecuada para esta aplicación donde el vapor húmedo pasa a través de la salida de la válvula.

Una solución a este problema es instalar una válvula con cuerpo más grande con el mismo Kvs de 10 para reducir la velocidad de salida del vapor húmedo. Consulte la Tabla 6.4.1 para determinar el tamaño mínimo de válvula de control con un área de salida mayor a 0.002 22 m2. Se puede ver de la Tabla 6.4.1 que la válvula más pequeña requerida para satisfacer la velocidad máxima de salida de 40 m/s para vapor húmedo es una válvula DN65, con un área de salida de 0.003 32 m2.

Por lo tanto, debido al vapor húmedo que pasa a través de la salida de la válvula, el tamaño de la válvula de control aumentaría de, en este caso una DN25 (1”) a DN65 (2½”).

Una mejor solución podría ser instalar un separador antes de la válvula de control. Esto permitirá usar la válvula de control DN25 más pequeña, y es preferible porque:

• Dará una mejor regulación ya que está más apropiadamente dimensionada para manejar cambios en la carga de vapor.
• Asegurará que el vapor seco pase a través de la válvula de control, reduciendo así la propensión a la erosión en el asiento de la válvula y la salida de la válvula.
• Asegurará el rendimiento óptimo del intercambiador de calor, ya que la superficie de calentamiento no está térmicamente aislada por la humedad del vapor húmedo.
• El costo de la válvula más pequeña y su actuador más el separador probablemente será el mismo que la válvula más grande con un actuador más grande.

Dimensionamiento con una caída de presión arbitraria Si la presión de trabajo del equipo no se conoce, a veces es posible hacer un compromiso.

Debe enfatizarse que este método solo debe usarse como último recurso, y que se debe hacer todo el esfuerzo posible para determinar las presiones de trabajo y el caudal.

Bajo estas circunstancias, se sugiere que la válvula de control se seleccione usando una caída de presión del 10% al 20% de la presión aguas arriba. De esta manera, la válvula de control seleccionada más que probablemente estará sobredimensionada.

Para ayudar a esta situación, una válvula de porcentaje igual dará un mejor rendimiento operativo que una válvula lineal (esto se discute con más detalle en el Módulo 6.5 ‘Características de las válvulas de control’).

El dimensionamiento con una caída de presión arbitraria no se recomienda para aplicaciones críticas.

¿Cuanto mayor sea la caída de presión, mejor? Generalmente es mejor dimensionar una válvula de vapor con caída de presión crítica ocurriendo a través de la válvula de control a carga máxima. Esto ayuda a reducir el tamaño y costo de la válvula de control.

Sin embargo, las condiciones de la aplicación pueden no permitir esto.

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) = 0.1. En esta situación, dimensionar con caída de presión crítica habría reducido indebidamente el tamaño de la válvula de control, y el intercambiador de calor se habría quedado sin vapor.

Si es imposible aumentar la presión de suministro de vapor, una solución es instalar un intercambiador de calor más grande que opere a una presión menor. De esta manera, la caída de presión aumentará a través de la válvula de control.

Esto podría resultar en una válvula más pequeña pero, desafortunadamente, un intercambiador de calor más grande, porque la presión (y temperatura) de operación del intercambiador de calor es ahora menor.

Sin embargo, un intercambiador de calor más grande que funciona a una presión menor aporta algunas ventajas:

• Hay menos tendencia a la incrustación y ensuciamiento de las superficies de calentamiento ya que la temperatura de vapor requerida es menor.
• Se produce menos vapor flash en el sistema de condensado, resultando en menos contrapresión en las tuberías de retorno de condensado. Es importante equilibrar el costo de la válvula y el intercambiador de calor, la capacidad de la válvula para controlar correctamente, y los efectos en el resto del sistema, como se explicó anteriormente.

En sistemas de vapor, las válvulas de porcentaje igual generalmente serán una mejor elección que las válvulas lineales, ya que las caídas de presión bajas tendrán menos efecto en su rendimiento operativo.

Tipos de intercambiadores de calor calentados por vapor ****Este tema está fuera del alcance de este Módulo, pero es útil echar un vistazo breve a los dos tipos principales de intercambiador de calor usados para aplicaciones de calentamiento y procesos con vapor.

El intercambiador de calor de carcasa y tubo Tradicionalmente, el intercambiador de calor de carcasa y tubo se ha usado para muchas aplicaciones de calentamiento y procesos con vapor en un amplio espectro de industrias. Es robusto y a menudo ‘sobredimensionado’ para el trabajo. Tiende a tener inherentemente una masa alta y una gran histéresis térmica, lo que puede hacerlo torpe para ciertas aplicaciones críticas.

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubo a menudo se sobredimensionan enormemente en la instalación inicial, principalmente debido a los grandes factores de ensuciamiento aplicados al cálculo. Tienden a tener baja velocidad de vapor en el tubo de vapor, lo que reduce:

• La turbulencia.

• La tensión de cizallamiento entre el vapor que fluye y la pared del tubo.

• La transferencia de calor.

La baja tensión de cizallamiento también tiende a no limpiar las superficies del tubo; por lo tanto, generalmente se aplican factores de ensuciamiento altos en la etapa de diseño, llevando al sobredimensionamiento. Debido al sobredimensionamiento, la presión real del vapor después de la instalación suele ser mucho menor de lo previsto. Si esto no se anticipa, la trampa de vapor puede no estar correctamente dimensionada y los tubos de vapor pueden inundarse con condensado, causando un control errático y un rendimiento deficiente.

El intercambiador de calor de placas (y marco) Los intercambiadores de calor de placas son una alternativa útil; siendo relativamente pequeños y ligeros, tienen una pequeña masa extremadamente rápida en responder a cambios en la carga térmica.

Cuando están correctamente diseñados, tienden a no ensuciarse, pero si lo hacen, se desmontan, limpian y recomisionan fácilmente. Comparados con los intercambiadores de carcasa y tubo, pueden operar a presiones más bajas para la misma función, pero debido a sus altas características de transferencia de calor, y un menor requisito de sobredimensionamiento, son aún más pequeños y menos costosos que un intercambiador de carcasa y tubo comparable.

Los intercambiadores de calor de placas (cuando están correctamente diseñados para usar vapor) son por lo tanto más adecuados económicamente para caídas de presión altas a través de válvulas de control que sus equivalentes de carcasa y tubo. Esto puede dar la ventaja de válvulas de control más pequeñas y menos costosas, mientras se minimiza el costo del intercambiador de calor en sí. Generalmente, es mejor diseñar el sistema de modo que el intercambiador de placas opere con caída de presión crítica (o la mayor caída de presión posible) a través de la válvula de control a carga completa.

Debe enfatizarse que no todos los intercambiadores de calor de placas son adecuados para uso con vapor. Es muy fácil comprar un intercambiador de calor diseñado para uso con líquidos y asumir erróneamente que funcionará perfectamente cuando se caliente con vapor. La selección correcta para vapor no es solo una cuestión de compatibilidad presión/temperatura. La experiencia adecuada está disponible de fabricantes acreditados, y siempre se debe buscar cuando el vapor es la fuente principal de energía.

Ejemplos de dimensionamiento de vapor usando tablas El ‘coeficiente de flujo’ (Kvr) requerido puede determinarse de varias maneras, incluyendo el cálculo usando la Ecuación 3.21.2 o la Ecuación 6.4.3 o mediante software informático. Un método alternativo de dimensionamiento simple de válvulas es usar una tabla Kv, Figura 6.4.8. A continuación se muestran algunos ejemplos de cómo pueden usarse:

Vapor saturado

---

Ejemplo 6.4.3 - Aplicación de caída de presión crítica Demanda de vapor del intercambiador de calor = 800 kg/h

Presión de vapor aguas arriba de la válvula = 9 bar a

Presión de vapor requerida en el intercambiador de calor = 4 bar a

Referencia tabla Kv de vapor (Figura 6.4.8)

1. Dibuje una línea desde 800 kg/h en la ordenada de flujo de vapor.
2. Dibuje una línea horizontal desde 9 bar en la ordenada de presión de entrada.
3. En el punto donde esto cruza la línea de caída de presión crítica (diagonal superior derecha) dibuje una línea vertical hacia abajo hasta que cruce la línea horizontal de 800 kg/h.
4. Lea el Kv en este punto de cruce, es decir Kvr 7.5

Ejemplo 6.4.4 - Una aplicación de caída de presión no crítica Demanda de vapor del intercambiador de calor = 200 kg/h

Presión de vapor aguas arriba de la válvula = 6 bar a

Presión de vapor requerida en el intercambiador de calor = 5 bar a

Referencia tabla Kv de vapor (Apéndice 1)

Como en el ejemplo 6.4.3, dibuje una línea desde la ordenada de flujo de vapor de 200 kg/h, y luego dibuje otra línea desde la ordenada de presión de entrada de 6 bar hasta la línea de caída de presión de 1 bar.

Baje una línea vertical desde el punto de intersección resultante, para encontrarse con la horizontal de 200 kg/h y lea el Kv en este punto de cruce, es decir Kvr 3.8

Ejemplo 6.4.5 - Encontrar la caída de presión (ΔP) a través de la válvula con un valor Kvs conocido Demanda de vapor del intercambiador de calor = 3 000 kg/h

Presión de vapor aguas arriba de la válvula = 10 bar a

Kvs de la válvula a usar = 36

Referencia tabla Kv de vapor (Apéndice 1)

Dibuje una línea horizontal desde 3 000 kg/h para encontrarse con la línea Kv 36. Dibuje una línea vertical hacia arriba desde esta intersección para encontrarse con la horizontal de 10 bar.

Lea la caída de presión en este punto de cruce, símbolo delta - delta symbol.jpgP 1.6 bar.

Nota: En los ejemplos, para convertir presión manométrica (bar g) a presión absoluta (bar a) simplemente agregue ‘1’ a la presión manométrica, por ejemplo, 10 bar g = 11 bar a.

Vapor sobrecalentado ****Para dimensionar una válvula para uso con vapor sobrecalentado consulte el Ejemplo 6.4.6 y la tabla de vapor sobrecalentado, Figura 6.4.9.

Ejemplo 6.4.6 El siguiente ejemplo muestra cómo usar la tabla para 100°C de sobrecalentamiento: siga la respectiva línea de flujo de vapor a la izquierda hasta la línea vertical que representa 100°C de sobrecalentamiento, luego dibuje una línea horizontal como de costumbre desde la intersección resultante. Al hacer esto, el gráfico introduce un factor de corrección para el sobrecalentamiento y corrige el valor Kv.

Selección de una válvula de control para servicio de vapor La sección anterior cubrió el procedimiento para dimensionar una válvula de control basado en el caudal que necesita pasar, y la caída de presión a través de la válvula. De estos datos, se puede obtener el valor Kvs de la válvula de control. La referencia a la documentación de producto apropiada proporcionará la información necesaria para seleccionar el tamaño de válvula requerido.

La selección de la válvula de control requiere que se tengan en cuenta varios otros factores. El material del cuerpo debe seleccionarse para adaptarse a la aplicación. Las válvulas están disponibles en hierro fundido, hierro dúctil, bronce, acero, acero inoxidable y materiales exóticos para aplicaciones muy especiales, por ejemplo acero titanio.

El diseño y material de la válvula de control deben ser adecuados para la presión del sistema en el que se instalará. En Europa, la mayoría de las válvulas tienen una clasificación nominal de presión del cuerpo, estipulada por las letras ‘PN’ que en realidad significa ‘Pression Nominale’. Esto se relaciona con la presión máxima (bar manométricos) que la válvula puede soportar a una temperatura de 120°C. Cuanto mayor sea la temperatura, menor será la presión permitida, resultando en un gráfico típico presión/temperatura como se muestra en la Figura 6.4.10.

Debe notarse que el tipo de material usado en la fabricación de la válvula de control juega un papel importante en la tabla presión/temperatura. Las condiciones límite típicas son: Típicamente, la válvula de control no puede usarse si las condiciones presión/temperatura están en esta área El espesor de diseño y los métodos de unión del cuerpo también tienen un efecto. Por ejemplo, una válvula de hierro dúctil podría tener una clasificación PN16 y también puede estar disponible con un diseño ligeramente diferente, con una clasificación PN25. Las regulaciones locales o nacionales pueden afectar los límites, al igual que el tipo de conexión que se usa.

Una lista de verificación de los factores principales a tener en cuenta al seleccionar una válvula de control para servicio de vapor incluye:

1. Flujo de masa o flujo volumétrico a considerar (típicamente máximo, normal o mínimo).

2. Medio de flujo (esto puede afectar el tipo de material usado para el cuerpo e internos de la válvula).

3. Presión aguas arriba disponible en cargas máxima, normal y mínima.

4. Presión aguas abajo para cargas máxima, normal y mínima.

5. Valor Kv requerido.

6. Caída de presión a través de la válvula en cargas máxima, normal y mínima.

7. Tamaño del cuerpo de la válvula.

8. Material del cuerpo y clasificación nominal de presión.

9. Presión diferencial máxima para cierre.

10. Conexión requerida. ¿Qué conexiones de tubería se requieren en la entrada y salida de la válvula? Conexiones roscadas o bridadas, y qué tipo de brida, por ejemplo, ASME, EN 1092 o DIN?

11. Temperatura máxima del medio que fluye a través de la válvula.

12. Cualquier requisito especial, por ejemplo, variaciones especiales de empaquetadura de prensaestopas; asiento y obturador de válvula endurecidos, asientos blandos para cierre absolutamente hermético; y otros. Nota: Los fabricantes restringen las tasas de fuga de las válvulas de control a límites acordados y/o a veces son objeto de normas nacionales. Véase también el punto 17.

13. Detalles de los requisitos de control de la aplicación. Esto se explica con más detalle en el Módulo 6.5. Brevemente, una aplicación que necesite control de encendido/apagado (completamente abierta o completamente cerrada) puede requerir una característica de válvula adecuada para ese propósito, mientras que una aplicación que requiera control continuo (cualquier grado de apertura o cierre), podría funcionar mejor con un tipo diferente de característica de válvula.

14. Método de actuación y tipo de control a usar; por ejemplo, auto-accionamiento, eléctrico, neumático, electro-neumático.

15. Niveles de ruido. A menudo es un requisito mantener el ruido por debajo de 85 dBA a 1 m de la tubería si las personas van a trabajar sin protección en el área. Mantener los mismos internos de tamaño pero aumentando el tamaño de las conexiones puede lograr esto. (Muchas válvulas de control tienen la opción de variantes de trim reducido, alternativamente están disponibles trims especiales reductores de ruido, y/o se puede aplicar aislamiento acústico a la válvula y la tubería. Las válvulas para aplicaciones de proceso crítico deben dimensionarse usando software informático que utilice la norma IEC 60534 o su equivalente nacional).

16. Las caídas de presión, tamaños del cuerpo de la válvula y nivel de ruido están relacionados y deben considerarse. Es una buena práctica mantener la velocidad del vapor aguas abajo en el cuerpo de la válvula típicamente por debajo de 150 m/s para vapor saturado y 250 m/s para vapor sobrecalentado. Esto puede lograrse aumentando el tamaño del cuerpo de la válvula, lo cual también reducirá la velocidad en la salida de la válvula y la probabilidad de exceso de ruido. Es posible considerar una velocidad de salida de vapor saturado de 150 m/s a 200 m/s si el vapor siempre está garantizado como saturado seco en la entrada de la válvula. Esto es porque, bajo estas circunstancias, el vapor que sale de la válvula de control estará sobrecalentado debido al efecto de sobrecalentamiento de reducir la presión del vapor saturado seco. Por favor note que estas son cifras generales, diferentes normas citarán diferentes directrices.

17. Fugas y aislamiento. Las válvulas de control están diseñadas para controlar el caudal más que aislar el suministro, y es probable que tengan una ligera fuga cuando están completamente cerradas. Las válvulas de control se fabricarán según una norma relacionada con la estanqueidad de cierre. Generalmente, cuanto mejor sea el cierre, mayor será el costo de la válvula. Para válvulas de control de vapor, una tasa de fuga del 0.01% es perfectamente adecuada para la mayoría de aplicaciones.

18. Rangabilidad. Generalmente expresada como una relación del flujo máximo esperado de la aplicación al flujo mínimo controlable a través de una válvula de control.

19. Capacidad de rango. Generalmente expresada como una relación del flujo máximo controlable de la válvula al flujo mínimo controlable, entre los cuales se mantienen las características de la válvula de control. Típicamente, una capacidad de rango de 50:1 es aceptable para aplicaciones de vapor.

20. Sería incorrecto terminar este Módulo sobre válvulas de control sin mencionar el costo. El tipo de válvula, sus materiales de construcción, variaciones en diseño y requisitos especiales inevitablemente resultarán en variaciones de costo. Para una economía óptima la válvula seleccionada debe ser correcta para esa aplicación y no estar sobrespecificada.

Apéndice 1 Tabla de dimensionamiento de válvulas de vapor saturado

Apéndice 2 Tabla de dimensionamiento de válvulas de vapor sobrecalentado