Control Valves

Una válvula de control realiza una tarea especial, el control del flujo de un fluido para que una variable de un proceso como la presión, el nivel o la temperatura pueda ser controlada. Además de controlar el flujo, la válvula de control se puede utilizar cerrar el paso del flujo.

Una válvula de control puede definirse como una válvula equipada con un actuador que es accionado por una fuerza motriz externa y que responde a una señal de mando también externa.

La señal suele proceder de un controlador y éste junto con la válvula forman un lazo de control básico. La válvula de control rara vez se abre o cierra completamente, sino que se encuentra en una posición intermedia controlando el flujo del fluido a través de la válvula. En esta condición de servicio dinámico, la válvula debe soportar los efectos erosivos del fluido que fluye mientras mantiene una posición precisa para mantener el correcto funcionamiento del proceso.

Una válvula de control realizará estas tareas satisfactoriamente si está dimensionada correctamente para las condiciones de flujo y cierre. El proceso de dimensionamiento de la válvula determina el Cv (Kv) requerido, el FL requerido, las velocidades de flujo, el ruido del flujo y el tamaño apropiado del actuador (Par de accionamiento).

Cv (Kv):

El Coeficiente de Flujo, Cv, es un valor adimensional que se relaciona con la capacidad de flujo de una válvula y es la tasa de flujo estándar que fluye a través de una válvula a una determinada apertura, referido a unas condiciones estándar de caudal constante, caída de presión de 1 bar y temperatura estándar ( 5 a 40ºC). Su ecuación más básica es

Q =Tasa de flujo y ΔP=caída de presión a través de la válvula.

Esta fórmula se adapta para los flujos líquidos, vapor, gas y dos fases.

El valor del Cv (Kv)  aumenta si la tasa de flujo aumenta o si la ΔP disminuye. El dimensionado para una aplicación tendrá un Cv (Kv)  requerido mientras que una válvula tendrá un Cv (Kv)  nominal. El Cv (Kv) nominal de la válvula debe ser igual o superior al Cv (Kv) requerido.

FL:

El FL, Coeficiente de Recuperación de la Presión del Líquido, es una constante adimensional y sólo depende de la forma del cuerpo y el Trim. Muestra la capacidad de la válvula para transformar la energía cinética del líquido en la vena contracta en energía estática, y queda definida por:

Dado que la Pvc (presión en la vena contracta) es siempre más bajo que p2, siempre se cumple que FL ≤ 1. El factor FL es una indicación de la presión en la vena contracta de la válvula en relación con la presión de salida.

Además, es importante señalar que cuanto más bajo es este coeficiente más alta es la capacidad de la válvula para transformar la energía cinética en energía estática (alto valor de recuperación).

Si el FL fuera de 1,0, la presión de la vena contracta sería la misma que la presión de salida de la válvula y no habría recuperación de la presión. A medida que el valor del FL se reduce, la presión de en la vena contracta es cada vez más baja en relación con la presión de salida de la válvula y es más probable que la válvula cavite. El FL nominal de una válvula varía según la válvula y el diseño de su Trim, puede variar desde 0,99 para un Trim especial de etapas múltiples hasta 0,30 para una válvula de bola.

En la práctica las ecuaciones de dimensionamiento se refieren simplemente a la caída de presión (p1-p2) entre la entrada y la salida de la válvula y mientras que la presión Pvc en la vena contracta sea más alta que la presión de saturación (presión vapor) Pv del fluido en la entrada de la válvula la influencia de la recuperación del factor es prácticamente insignificante

FL nominal (Rated): El Rating FL es el valor real de FL para una válvula y un diseño de Trim en particular.

FL requerido: El FL requerido es el valor calculado para una condición de servicio particular. Indica el FL requerido necesario para evitar el estrangulamiento del flujo (Choked Flow), si el FL nominal es menor que el FL requerido, el flujo de líquido será obstruido por cavitación.

Vena Contracta: La vena contracta es el punto, inmediatamente después del punto de estrangulamiento del Trim, donde el chorro de líquido que fluye es el más pequeño. En la vena contracta, la velocidad del fluido es la más alta y la presión del fluido la más baja.

Presión de vapor: La presión de vapor de un fluido liquido es la presión en la que el fluido cambia de líquido a vapor. El líquido cambiará a vapor por debajo de la presión de vapor y el vapor cambian a líquido por encima de la presión de vapor. La presión de vapor aumenta a medida que la temperatura del fluido aumenta.

Choked Flow (Flujo estrangulado o Flujo crítico): El flujo de un líquido se obstruye (Choked) cuando la vena contracta del Trim se llena de vapor cuando se dan los fenómenos de cavitación o flashing. El en el caso de flujo de vapor también se obstruirá cuando la velocidad del flujo en la vena contracta alcance el nivel sónico. La tasa de Choked Flow es limitada; una mayor disminución de la presión de salida no aumenta el flujo. El Choked Flow (flujo estrangulado) también se denomina Flujo crítico.

Cavitación: La cavitación es un fenómeno de dos etapas cuando el fluido es un líquido. La primera etapa es la formación de burbujas de vapor en el líquido a medida que el fluido pasa a través del Trim y la presión se reduce por debajo de la presión de vapor del fluido. La segunda etapa es el colapso de las burbujas de vapor a medida que el fluido pasa por la vena contracta y la presión se recupera y aumenta por encima de la presión de vapor. El colapso de las burbujas es muy destructivo cuando entran en contacto con piezas metálicas y el colapso de la burbuja puede producir altos niveles de ruido.

Flashing: El Flashing es similar a la cavitación, excepto que las burbujas de vapor no se colapsan, ya que la presión de salida es menor que la presión de vapor. El flujo permanecerá como una mezcla de vapor y líquido.

Flujo laminar: La mayoría de los flujos de fluidos son turbulentos. Sin embargo, cuando la velocidad del flujo de líquido es muy lenta o el fluido es muy viscoso o ambos, el flujo puede convertirse en laminar. Cuando el flujo se vuelve laminar, el CV requerido es mayor que para el flujo turbulento en condiciones similares. Las fórmulas de dimensionamiento del ISA ajustan el CV cuando existe flujo laminar.

El primer paso de dimensionamiento es determinar el valor de Cv (Kv) requerido para la aplicación. A continuación, hay que determinar si existen condiciones inusuales que puedan afectar a la selección de la válvula, como cavitación, flashing, altas velocidades de flujo o ruido.

El proceso de dimensionamiento de la válvula determinará el tamaño adecuado de la válvula, el tamaño del Trim, el diseño y forma del Trim y el tamaño del actuador.

Las distintas fórmulas del Cv (Kv) para los casos de fluidos líquidos, vapor o gases se encuentran recogidos en la hoja técnica IS PV10.00 E 06.07 de nuestra web (Valvulas de Regulación / Información Técnica)

Para el correcto dimensionado de la válvula necesitaremos todos los datos de proceso, presión, caída de presión, caudal, datos precisos del fluido, etc.… esto es, si son incorrectos o incompletos, el proceso de dimensionamiento será defectuoso.

Hay dos problemas muy comunes. El primero es tener una condición muy conservadora que exagera el CV y proporciona una válvula menos de ½ abierta al máximo flujo requerido. El segundo es trabajar sólo con la condición de flujo máximo que tiene mínimas caídas de presión y no tener en cuenta las condiciones de flujo mínimo con caídas de alta presión que a menudo inducen a la cavitación o tienen requisitos de relación de Cv (Rangeability) muy altos.

Les remitimos a nuestras tablas de propiedades físicas del vapor, líquidos y gases de nuestra TIS  IS PV10.00 E 06.07 para la correcta selección de los datos y así garantizar una optima selección y dimensionado de válvula de control.

Quizás pequemos de pesados, pero estos datos son fundamentales para el éxito del cálculo y no siempre son facilitados a los responsables del correcto dimensionado y selección de la válvula de control.

Otros aspectos fundamentales para la correcta selección de las válvulas de control son

Característica de caudal

Se define como la relación existente, a presión constante, entre el caudal a través de la válvula y su carrera cuando ésta varía en todo su campo.

Los tres tipos de características utilizadas son las denominadas Lineal - PL, Isoporcentual – EQP% y Apertura rápida - On-Off o PT

Característica Lineal PL: La capacidad de la válvula varía linealmente con la carrera.

Característica Isoporcentual EQP%: a incrementos iguales de recorrido de la válvula produce cambios en igual porcentaje en el caudal existente en el momento del cambio. A una presión diferencial constante, un aumento del 10% en el recorrido de la válvula suele corresponder a un aumento del caudal igual al 50% del caudal que precede a la variación. El cambio en la tasa de flujo observado, relacionado con carrera, será relativamente pequeño cuando el obturador de la válvula esté cerca de su asiento y relativamente alto cuando el obturador de la válvula está casi abierto. Se recomienda cuando hay grandes variaciones en de flujo o de presión diferencial.

Característica de apertura rápida On-Off PT: el aumento o disminución de caudal es máximo a bajos recorridos o aperturas, siendo posteriormente su ganancia muy pequeña

En la hoja técnica IS PV10.00 E 06.07 de nuestra web (Valvulas de Regulación / Información Técnica) pueden encontrar las gráficas características inherentes a cada característica de caudal.

Amplitud de rango o Rangeability

La Rangeabilidad o Rangeability es la relación entre el Cv máximo y mínimo controlable por la válvula, otras veces también llama relación de CV o reducción.

El Cv mínimo controlable es donde la característica de flujo (Cv versus carrera de la válvula o recorrido) se desvía inicialmente o donde el Trim de la válvula no puede mantener una tasa de flujo consistente.

La Rangeabilidad del Trim no siempre es el rango utilizable ya que la erosión del asiento puede ser un factor determinante en relación con los fluidos erosivos y las altas caídas en la posición de válvula casi cerrada.

Una válvula con una caída de presión significativa no debe utilizarse para regular cerca del asiento durante períodos de tiempo prolongados.

Los valores de rango, enumerados en la siguiente tabla, se aplican al Cv nominal, no al Cv requerido. Por ejemplo, una aplicación puede requerir un Cv máximo de 170. Se puede seleccionar un Trim de 4" Isoporcentual – EQP que tenga un CV máximo de 195. Usando el valor de Rangeabilidad para este Trim, el CV mínimo es 195/100=19.5, no 170/100=17.

Las aplicaciones de válvulas sujetas a presiones en procesos como la producción de gas y petróleo suelen estar dimensionadas para el flujo completo a un 80% de apertura, ya que la presión puede ser desconocida cuando se dimensiona la válvula y la presión puede variar con el tiempo.

Las aplicaciones de válvulas con presiones de entrada bastante consistentes, como las aplicaciones de control de procesos y de energía, suelen dimensionarse para el recorrido completo. El ingeniero responsable del dimensionamiento de la válvula suele incluir un margen justo de seguridad en las condiciones de tamaño establecidas. Si el proveedor de la válvula incluye una seguridad adicional, como el flujo completo a un 80% de apertura, la válvula puede estar a flujo completo a un recorrido inferior a la mitad dando un rendimiento deficiente.

El ruido es un problema muy serio cuando, pasando de unos determinados límites, perjudica enormemente al estado fisiológico y mental de las personas.

El ruido siempre esta presenta en las válvulas de control. Es un efecto natural producido por el comportamiento del fluido al pasar por la restricción de la válvula.

El nivel máximo recomendado es de 85 dBA. Nivel de ruido superiores a 110 dBA no son recomendados ya que producen vibraciones y causan daños en las válvulas e instrumentos de control.

En el caso de que el nivel de ruido sea superior a 85 dBA se utilizan las siguientes técnicas para reducirlo:

• En servicio líquido el ruido es de naturaleza hidrodinámica, producido generalmente por la implosión de las burbujas de vapor que se forman en el proceso de cavitación. En este eliminando este fenómeno se elimina también el ruido.
• En aplicaciones con gases o vapor el ruido es de origen aerodinámica. Es producido por las velocidades altas y las turbulencias del fluido al pasar por la válvula. En estos casos el ruido se puede reducir de las siguientes formas:
  • 1. Aislamiento térmicos o acústicos.

    Estos aislantes reducen el nivel del ruido hacia el exterior, pero no lo eliminan. El ruido es propagado a lo largo de la tubería. El aislamiento térmico reduce de 3 a 5 dBA por pulgada de aislamiento La atenuación máxima alcanzable es de 12 a 15 dBA. Con el aislamiento acústico se reduce de 8 a 10 dBA por pulgada de aislamiento, siendo la máxima alcanzable de 24 a 27 dBA

    2. Dispositivos aguas abajo de la válvula.

    Se denominan difusores y sí eliminan el exceso de ruido sin propagarlo después.

    3. Internos de válvula anti-ruido. Son jaulas cuyo diseño elimina el ruido dentro de la propia válvula. Normalmente la velocidad de salida está limitada por un dispositivo atenuador de ruido. Si la velocidad del fluido que se alcanza aguas debajo de la válvula de control excede de 0.5 Mach el ruido generado por la alta velocidad puede ser fuente de ruido en el sistema. En caso de utilizarse un Trim anti-ruido la velocidad de salida no debe de exceder de 0.3 Mach (1 Mach = velocidad del sonido).