Dimensionamiento de válvulas de control para sistemas de agua

Este tutorial describe brevemente cómo usar los coeficientes de flujo para dimensionar válvulas para sistemas de agua, la diferencia entre usar válvulas de dos puertos y tres puertos y el efecto de estas válvulas en la caída de presión, el flujo y las características del sistema de agua. También se explica la importancia de la autoridad de la válvula, y la causa y efectos de la cavitación y el destello bajo ciertas condiciones.

La válvula de control puede dimensionarse para operar a una cierta presión diferencial usando un gráfico que relaciona el caudal, la caída de presión y los coeficientes de flujo de la válvula.

Alternativamente, el coeficiente de flujo puede calcularse usando una fórmula. Una vez determinado, el coeficiente de flujo se usa para seleccionar la válvula del tamaño correcto de los datos técnicos del fabricante.

Históricamente, la fórmula del coeficiente de flujo se derivó usando unidades imperiales, ofreciendo medición en términos de galones/minuto con una caída de presión de una libra por pulgada cuadrada. Hay dos versiones del coeficiente imperial, una versión británica y una versión estadounidense, y se debe tener cuidado al usarlas porque cada una es diferente, aunque el símbolo adoptado para ambas versiones es ‘Cv’. La versión británica usa galones imperiales, mientras que la versión estadounidense usa galones estadounidenses, que son 0.833 del volumen de un galón imperial. El símbolo adoptado para ambas versiones es Cv. La versión métrica del coeficiente de flujo se derivó originalmente en términos de metros cúbicos por hora (m³/h) de flujo para una caída de presión medida en kilogramos fuerza por metro cuadrado (kgf/m²). Esta definición se había derivado antes de que existiera un estándar europeo acordado que definiera Kv en términos de unidades SI (bar). Sin embargo, un estándar SI ha existido desde 1987 en forma de IEC 534 -1 (Ahora EN 60534 -1). La definición estándar ahora relaciona el caudal en términos de m³/h para una caída de presión de 1 bar. Ambas versiones métricas todavía se usan con el símbolo adoptado Kv, y aunque la diferencia entre ellas es bastante pequeña, es importante estar seguro o aclarar cuál se está usando. Algunos fabricantes citan erróneamente valores de conversión Kv sin calificar la unidad de presión diferencial.

La Tabla 6.3.1 convierte los diferentes tipos de coeficiente de flujo mencionados anteriormente: Por ejemplo, multiplicar Kv (bar) por 1.16 para convertir a Cv (US).

La versión Kv citada en estos Módulos siempre se mide en términos de Kv (bar), es decir unidades de m³/h bar, a menos que se indique lo contrario.

Para flujo de líquido en general, la fórmula para Kv se muestra en la Ecuación 6.3.1. A veces, es necesario determinar el caudal volumétrico, usando el coeficiente de flujo de la válvula y la caída de presión. Para agua, G = 1, consecuentemente la ecuación para agua puede simplificarse como se muestra en la Ecuación 6.3.2. Ejemplo 6.3.1 Se bombean 10 m³/h de agua alrededor de un circuito; determine la caída de presión a través de una válvula con un Kv de 16 usando la Ecuación 6.3.2: Alternativamente, para este ejemplo puede usarse el gráfico mostrado en la Figura 6.3.1. (Nota: una tabla Kv de agua más completa se muestra en la Figura 6.3.2):

1. Entre en el gráfico por el lado izquierdo a 10 m³/h.
2. Proyecte una línea horizontalmente a la derecha hasta que cruce con el Kv = 16 (estimado).
3. Proyecte una línea verticalmente hacia abajo y lea la caída de presión del eje ‘X’ (aproximadamente 40 kPa o 0.4 bar). Nota: Antes de dimensionar válvulas para sistemas de líquidos, es necesario conocer las características del sistema y su equipo constituyente como las bombas.

Bombas ****A diferencia de los sistemas de vapor, los sistemas de líquidos requieren una bomba para circular el líquido. A menudo se usan bombas centrífugas, que tienen una curva característica similar a la mostrada en la Figura 6.3.3. Note que a medida que el caudal aumenta, la presión de descarga de la bomba cae. Características del sistema de circulación Es importante no solo considerar el tamaño de una válvula de control de agua, sino también el sistema en el que circula el agua; esto puede influir en qué tipo y tamaño de válvula se usa, y dónde debe posicionarse dentro del circuito.

A medida que el agua circula a través de un sistema, incurrirá en pérdidas por fricción. Estas pérdidas por fricción pueden expresarse como pérdida de presión, y aumentarán en proporción al cuadrado de la velocidad. El caudal puede calcularse a través de una tubería de calibre constante a cualquier otra pérdida de presión usando la Ecuación 6.3.3, donde v̇1 y v̇2 deben estar en las mismas unidades, y P1 y P2 deben estar en las mismas unidades. se definen a continuación. Ejemplo 6.3.2

Se observa que el caudal v̇1 a través de una tubería de cierto tamaño es de 2500 m³/h cuando la pérdida de presión (P1) es 4 bar. Determine la pérdida de presión a través de la tubería del mismo tamaño (P2) si el caudal v̇2 fuera de 3 500 m³/h, usando la Ecuación 6.3.3. Se puede ver que a medida que se bombea más líquido a través de la misma tubería, el caudal aumentará. Sobre esta base, una curva característica del sistema, como la mostrada en la Figura 6.3.4, puede crearse usando la Ecuación 6.3.3, donde el caudal aumenta de acuerdo con la ley cuadrática. Rendimiento real Se puede observar de las características de la bomba y del sistema, que a medida que el caudal y la fricción aumentan, la bomba proporciona menos presión. Eventualmente se alcanza una situación donde la presión de la bomba es igual a la fricción alrededor del circuito, y el caudal no puede aumentar más.

Si la curva de la bomba y la curva característica del sistema se grafican en la misma tabla - Figura 6.3.5, el punto donde la curva de la bomba y la curva característica del sistema se intersectan será el rendimiento real de la combinación bomba/circuito. Válvula de tres puertos Una válvula de tres puertos puede considerarse como una válvula de caudal constante, porque, ya sea que se use para mezclar o desviar, el flujo total a través de la válvula permanece constante. En aplicaciones donde se emplean tales válvulas, el circuito de agua naturalmente se dividirá en dos bucles separados, caudal constante y caudal variable.

El sistema simple mostrado en la Figura 6.3.6 representa una válvula de mezcla manteniendo un caudal constante de agua a través del circuito de ‘carga’. En un sistema de calefacción, el circuito de carga se refiere al circuito que contiene los emisores de calor, como radiadores en un edificio. La cantidad de calor emitida por los radiadores depende de la temperatura del agua que fluye a través del circuito de carga, que a su vez depende de cuánta agua fluye hacia la válvula de mezcla desde la caldera, y cuánta retorna a la válvula de mezcla a través de la línea de equilibrio.

Es necesario instalar una válvula de equilibrio en la línea de equilibrio. La válvula de equilibrio se ajusta para mantener la misma resistencia al flujo en la parte de caudal variable de la red de tuberías, como se ilustra en las Figuras 6.3.6 y 6.3.7. Esto ayuda a mantener una regulación suave por la válvula a medida que cambia de posición.

En la práctica, la válvula de mezcla a veces está diseñada para no cerrar el puerto A completamente; esto asegura que un caudal mínimo pasará a través de la caldera en todo momento bajo la influencia de la bomba.

Alternativamente, la caldera puede emplear un circuito primario, que también se bombea para permitir un flujo constante de agua a través de la caldera, previniendo que la caldera se sobrecaliente.

El sistema simple mostrado en la Figura 6.3.7 muestra una válvula de desvío manteniendo un caudal constante de agua a través del bucle de caudal constante. En este sistema, el circuito de carga recibe un caudal variable de agua dependiendo de la posición de la válvula.

La temperatura del agua en el circuito de carga será constante, ya que recibe agua del circuito de la caldera independientemente de la posición de la válvula. La cantidad de calor disponible para los radiadores depende de la cantidad de agua que fluye a través del circuito de carga, que a su vez depende del grado de apertura de la válvula de desvío. El efecto de no instalar y ajustar una válvula de equilibrio puede verse en la Figura 6.3.8. Esto muestra la curva de la bomba y la curva del sistema cambiando con la posición de la válvula. Las dos curvas del sistema ilustran la diferencia en la presión de bomba requerida entre el circuito de carga P1 y el circuito de derivación P2, como resultado de la menor resistencia ofrecida por el circuito de equilibrio, si no se instala una válvula de equilibrio. Si el circuito no está correctamente equilibrado, puede resultar un cortocircuito y desabastecimiento de cualquier otro subcircuito (no mostrado), y el circuito de carga puede verse privado de agua.

Válvulas de dos puertos Cuando se usa una válvula de dos puertos en un sistema de agua, a medida que la válvula se cierra, el flujo disminuirá y la presión aguas arriba de la válvula aumentará. Los cambios en la carga de la bomba ocurrirán a medida que la válvula de control estrangula hacia una posición cerrada. Los efectos se ilustran en la Figura 6.3.9.

Una caída en el caudal no solo aumenta la presión de la bomba sino que también puede aumentar la potencia consumida por la bomba. El cambio en la presión de la bomba puede usarse como señal para operar dos o más bombas de capacidades variables, o para proporcionar una señal a accionamientos de bomba de velocidad variable. Esto permite que las tasas de bombeo se ajusten a la demanda, ahorrando costos de potencia de bombeo.

Las válvulas de control de dos puertos se usan para controlar el flujo de agua a un proceso, por ejemplo, para control de nivel de caldera de vapor, o para mantener el nivel de agua en un tanque de alimentación.

También pueden usarse en procesos de intercambio de calor, sin embargo, cuando la válvula de dos puertos está cerrada, el flujo de agua en la sección de tubería anterior a la válvula de control se detiene, creando una ‘pata muerta’. El agua en la pata muerta puede perder temperatura al entorno. Cuando la válvula de control se abre de nuevo, el agua más fría entrará en las serpentinas de intercambio de calor y perturbará la temperatura del proceso. Para evitar esta situación, el sistema de control puede incluir un arreglo para mantener un flujo mínimo a través de una tubería de pequeño diámetro y una válvula de globo ajustable, que derive alrededor de la válvula de control y el circuito de carga.

Las válvulas de dos puertos se usan exitosamente en circuitos de calefacción grandes, donde se incorporan múltiples válvulas en el sistema general. En sistemas grandes es altamente improbable que todas las válvulas de dos puertos estén cerradas al mismo tiempo, resultando en una característica inherente de ‘auto-equilibrio’. Estos tipos de sistemas también tienden a usar bombas de velocidad variable que alteran sus características de flujo relativas a los requisitos de carga del sistema; esto asiste la operación de auto-equilibrio. Al seleccionar una válvula de control de dos puertos para una aplicación:

• Si se instalara una válvula de control de dos puertos muy subdimensionada en un sistema, la bomba usaría una gran cantidad de energía simplemente para pasar suficiente agua a través de la válvula. Asumiendo que se pudiera forzar suficiente agua a través de la válvula, el control sería preciso porque incluso pequeños incrementos de movimiento de la válvula resultarían en cambios en el caudal. Esto significa que todo el recorrido de la válvula podría utilizarse para lograr el control.
• Si se instalara una válvula de control de dos puertos muy sobredimensionada en el mismo sistema, la energía requerida de la bomba se reduciría, con poca caída de presión a través de la válvula en la posición completamente abierta. Sin embargo, el recorrido inicial de la válvula desde completamente abierta hacia la posición cerrada tendría poco efecto en el caudal al proceso. Cuando se alcanzara el punto donde se lograra el control, el orificio grande de la válvula significaría que incrementos muy pequeños de recorrido de la válvula tendrían un gran efecto en el caudal. Esto podría resultar en un control errático con poca estabilidad y precisión.

Se requiere un compromiso que equilibre el buen control logrado con una válvula pequeña contra la pérdida de energía reducida de una válvula grande. La elección de la válvula influirá en el tamaño de la bomba, y los costos de capital y operación. Es una buena práctica considerar estos parámetros, ya que tendrán influencia en el costo total de vida del sistema.

Estos equilibrios pueden realizarse calculando la ‘autoridad de la válvula’ relativa al sistema en el que está instalada.

Autoridad de la válvula ****La autoridad de la válvula puede determinarse usando la Ecuación 6.3.4. El valor de N debe estar cerca de 0.5 (pero no mayor), y ciertamente no menor que 0.2.

Esto asegurará que cada incremento de movimiento de la válvula tenga un efecto en el caudal sin aumentar excesivamente el costo de la potencia de bombeo.potencia.

Ejemplo 6.3.3Un circuito tiene una caída de presión total ΔP1 + ΔP2 de 125 kPa, que incluye la válvula de control.

a) Si la válvula de control debe tener una autoridad de válvula (N) de 0.4, ¿qué caída de presión se usa para dimensionar la válvula?

b) Si el caudal del circuito/sistema v̇ es 3.61 l/s, ¿cuál es el Kv de válvula requerido?

Parte a) Determine la ΔP Consecuentemente, Δ P de 50 kPa se usa para dimensionar la válvula, dejando 75 kPa (125 kPa - 50 kPa) para el resto del circuito.

Parte b) Determine el Kv Alternativamente, puede usarse la tabla Kv de agua (Figura 6.3.2).

Válvulas de control de tres puertos y autoridad de la válvula Las válvulas de control de tres puertos se usan en aplicaciones de mezcla o desvío, como se explicó anteriormente en este Módulo. Al seleccionar una válvula para una aplicación de desvío:

• Una válvula de control de tres puertos muy subdimensionada incurrirá en altos costos de bombeo, y pequeños incrementos de movimiento tendrán un efecto en la cantidad de líquido dirigido a través de cada puerto de descarga.
• Una válvula muy sobredimensionada reducirá los costos de bombeo, pero el movimiento de la válvula al principio y al final del recorrido tendrá un efecto mínimo en la distribución del líquido. Esto podría resultar en un control impreciso con cambios grandes y repentinos en la carga. Una válvula innecesariamente sobredimensionada también será más costosa que una adecuadamente dimensionada.

La misma lógica puede aplicarse a aplicaciones de mezcla.

Nuevamente, la autoridad de la válvula proporcionará un compromiso entre estos dos extremos.

Con válvulas de tres puertos, la autoridad de la válvula siempre se calcula usando P2 en relación con el circuito con caudal variable. La Figura 6.3.10 muestra esto esquemáticamente.