VÁLVULAS DE CONTROL CONCEPTOS BÁSICOS

Nota: En este artículo, se exponen los conceptos que se han considerado más importantes, para tratar de comprender, el papel que cumple una válvula de control, dentro de un proceso industrial.

1. ¿QUÉ ES UNA VÁLVULA?

2. TIPOS DE VÁLVULAS
 2.1. Válvulas de Control
   2.1.1 Válvulas de Control de Regulación
   2.1.2. Válvulas de Control Todo-Nada
   2.1.3. Válvulas de Control con Posiciones Intermedias
 2.2. Válvulas Mecánicas
   2.2.1 Válvulas manuales
   2.2.2 Válvulas auto-reguladas
   2.2.3 Válvulas de seguridad

3. FILOSOFÍAS DE CONTROL
 3.1. Control discreto (todo-nada)
 3.2. Control modulante (regulación)
 3.3. Control en rango partido
 3.4. Control con posiciones intermedias

4. CV O KV DE UNA VÁLVULA DE CONTROL
 4.1. ¿Qué es CV?
 4.2. Cálculo del CV
 4.3. Tipos de curvas Cv

5. DATOS DE PROCESO DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL
 5.1. Definir los Datos De Proceso de las Válvulas de Control de Regulación
 5.2. Definir los datos de proceso de una válvula Todo-Nada
 5.3. Datos de proceso de una válvula Todo-Nada de Masa Calibrada
 5.4. Definir los datos de proceso de una válvula con Posiciones Intermedias
 5.5. Definir los datos de proceso de una válvula manual

6. CÓMO ACTÚA UNA VÁLVULA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO
 6.1. Curva de una bomba
 6.2. Pérdida de carga real del circuito
 6.3. Funcionamiento de la válvula
 6.4. Caída de presión requerida a una válvula de control
   6.4.1. Enunciado
   6.4.2. Modelar el sistema
   6.4.3. Calcular el caso de máximo caudal
   6.4.4. Calcular el caso de mínimo caudal
   6.4.5. Dónde está trabajando la válvula
 6.5. Cuál es la caída óptima de una válvula
   6.5.1. Caída de presión base “B”
   6.5.2. Porcentaje de error previsto en el circuito
   6.5.3. Posible incremento del caudal de diseño

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1. ¿QUÉ ES UNA VÁLVULA?

Una válvula, es un elemento mecánico, capaz de restringir el paso de un fluido.

2. TIPOS DE VÁLVULAS

Nota: Hay diferentes opiniones técnicas sobre cómo clasificar mejor las válvulas y sobre que válvulas deben estar en una familia u otra. En este artículo se hace la siguiente propuesta con el propósito de hacer una presentación rápida al lector de las válvulas más representativas.

2.1. Válvulas de Control
  2.1.1 Válvulas de control de regulación
  2.1.2 Válvulas de control todo-nada
  2.1.3 Válvulas de control con posiciones intermedias
2.2. Válvulas Mecánicas
  2.2.1 Válvulas manuales
  2.2.2 Válvulas auto-reguladas
  2.2.3 Válvulas de seguridad


2.1. Válvulas de Control


Una válvula de control, es una válvula controlada por algo. Este algo podría ser, una señal eléctrica, neumática, hidráulica…; dentro de este grupo se pueden ver:

2.1.1 Válvulas de Control de Regulación

Cuando normalmente se habla de válvulas control, en la mayoría de los casos se está haciendo referencia a las válvulas de control de regulación o también llamadas válvulas de control modulantes.

En este tipo de válvulas, a través de una señal externa (neumática, eléctrica…) (enviada a un posicionador), se controla el recorrido de la válvula (a través del actuador) abriéndola más o menos y controlando así el caudal del proceso. Esto, permite que estas válvulas se puedan posicionar en el porcentaje de apertura exacto, que demande el proceso. 5%, 10%, 20%, …

Las señales que comandan estas válvulas suelen estar asociadas a un PID (Ver artículo pulsar aquí-"Funcionamiento de un PID").


Durante el funcionamiento normal, un PID estaría continuamente solicitando pequeños ajustes en la posición de la válvula, para buscar el punto de operación óptimo. Normalmente, este tipo de válvulas, se encuentran continuamente desplazándose, con recorridos más o menos cortos.

Los requisitos de estas válvulas, suelen ser bastante exigentes, para al obturador, para al actuador y para el posicionador.

2.1.2. Válvulas de Control Todo-Nada

Este tipo de válvulas, se controlan a través de una o varias señales externas. En este caso estas señales no permitirán controlar el porcentaje de apertura, sólo se podrá abrir o cerrar totalmente la válvula de control.

Dentro de este grupo están las "válvulas todo-nada de masa calibrada", que se analizarán más adelante.

2.1.3. Válvulas de Control con Posiciones Intermedias

Otro tipo de aplicación de válvulas de control, son las válvulas de posiciones intermedias. Aunque estas válvulas tengan la capacidad de abrir o cerrar un determinado porcentaje de apertura, no se las requiere estar modulando, como las válvulas de control de regulación, por lo que los requisitos del posicionador, serán mucho menos severos.

Durante el funcionamiento de este tipo de válvulas, las encontraremos fijas en una determinada posición (por ejemplo al 10%,20%,…).

Este tipo de válvula, cuenta con los mismos elementos mecánicos, que una válvula de control de regulación.

2.2. Válvulas Mecánicas

Aquí se agrupan las válvulas que no son actuadas por señales externas.

2.2.1 Válvulas manuales

Son válvulas que cuentan con un volante o palanca, para que una persona pueda actuar sobre ella abriéndola o cerrándola.

2.2.2 Válvulas auto-reguladas

Estas válvulas, regulan el caudal del proceso al modificar su porcentaje de apertura. Pero a diferencia de las válvulas de control, lo hacen mecánicamente, sin necesidad de recibir una señal externa, por la acción de una variable del proceso.

2.2.3 Válvulas de seguridad

Al igual que las válvulas auto-reguladas son actuadas directamente por el proceso.

Nota: Se han resumido los tipos de válvulas en estos 6 grupos (válvulas de regulación, todo-nada, posiciones intermedias, manuales, autoregulas y seguridad), pero realmente hay muchos más tipos de válvulas. Existen tantas válvulas, como peculiaridades se pueden encontrar en los procesos industriales.

3. FILOSOFÍAS DE CONTROL

Durante la fase de diseño de un proceso industrial, se debe plantear la siguiente pregunta: ¿Qué se quiere hacer con la válvula?

La respuesta, ayudará a seleccionar el tipo de válvula y la filosofía de control óptima para el proceso.

A continuación, se tratarán las filosóficas de control más frecuentes.

3.1. Control discreto (todo-nada)

Un control discreto, se realiza normalmente mediante una válvula todo-nada. Esto es típico donde no se requiere un control muy fino de la variable de proceso, como el control del nivel de un tanque.

En un tanque normalmente, no es necesario que el nivel se mantenga siempre constante, se dispone de cierto margen, para no tener que estar echando continuamente agua.

Por ejemplo, se pueden usar 2 interruptores de nivel. Una boya que señalice que el nivel de agua está por debajo de los 3 metros y otra que indique que el agua ha alcanzado los 5 metros.

Nota: La diferencia entre el nivel de 5 metros y nivel de 3 metros se llamará histéresis. (5-3=2 metros de histéresis)

Cuando el nivel baje de 3 metros, se llenará el tanque abriendo la válvula todo-nada hasta alcanzar los 5 metros.

Una vez el agua ha llegado de nuevo a los 5 metros de altura, la válvula se mantendrá cerrada y no volverá a abrir hasta que el nivel vuelva a bajar de los 3 metros.

Nota: Normalmente, para este tipo de control discreto se usan válvulas de control todo-nada. No obstante y aunque resulte poco práctico, se podría usar una válvula de control de regulación y aplicarle una filosofía de control todo-nada.

3.2. Control modulante (regulación)

Cuando se requiera un control más fino del sistema y se requiera que la variable medida, permanezca en un punto determinado, ya no se podrá utilizar histéresis y en este caso se aplicará un control modulante. Se establecerá un punto de consigna (set-point) determinado, que se debe intentar mantener en todo momento.

Por ejemplo, un set-point de 5 metros.

Según el dibujo, se ha instalado un transmisor en el tanque, para indicar el nivel, al controlador de la válvula. En base a dicha información, la válvula intentará mantener el set-point de 5 metros.

Para mantener este nivel estable, la válvula tendrá que ir abriendo y cerrando, echando más o menos agua al sistema.

La programación de la válvula más el transmisor bajo esta filosofía, es llamada lazo de control.

Nota: Para utilizar esta filosofía, lo más común, es utilizar una válvula de control de regulación. No obstante, hay aplicaciones, donde se podría usar una válvula todo-nada asociada a un PID.

3.3. Control en rango partido

Dentro del control modulante hay una aplicación particular denominada control en rango partido.

Un ejemplo de este tipo de control  es cuando el set-point (el valor que se requiere) tiene un rango muy amplio.

Si se ha seleccionado una válvula con capacidad para regula bien en caudales altos no va a poder regular correctamente en caudales muy bajos, por lo que si en la fase de diseño no es posible regular de forma adecuada, todo el rango requerido, es muy común instalar dos válvulas en paralelo en la que una será más pequeña que la otra.

La válvula más pequeña, estará diseñada para regular mejor en caudales bajos y la válvula más grande regulará con los valores de caudal mayores. Y cuando el caudal del proceso, supere un valor determinado la válvula más grande empezará a abrir y la válvula más pequeña empezará a cerrar.

Nota: Si quiere saber más sobre el control en rango partido pulsar el siguiente enlace
ttps://instrumentacionhoy.blogspot.co.uk/2017/05/control-rango-partido.html
 3.4. Control con posiciones intermedias

Para este tipo de control, lo más apropiado es utilizar una válvula especificada para trabajar en posiciones intermedias.

Como se había indicado en este artículo, este tipo de válvulas no trabajarán modulando, se quedarán fijas en un determinado porcentaje de apertura mientras el proceso lo requiera.

Por ejemplo, se ha instalado una válvula de posiciones intermedias, para regular el paso de agua caliente por los radiadores y controlar la temperatura de una casa

En este ejemplo se han establecido 3 posiciones intermedias. Por la mañana se pondrá la válvula al 50%, al mediodía al 10% y por la noche al 80%. Esto permitiría que durante la noche y la mañana caliente más y que al mediodía se mantenga un poco la temperatura. Este ejemplo de control, es muy sencillo y no requiere de un control modulado.

4. CV O KV DE UNA VÁLVULA DE CONTROL

4.1. ¿Qué es CV?


El "Cv" es el coeficiente más importante para el cálculo y selección de una válvula de control de regulación.


Indica la capacidad que tiene una restricción de ser atravesada por un fluido. Es como si este valor, diera una aproximación de cómo de grande es el agujero de la restricción.

Cuanto menos es el Cv más pequeño es el agujero, o más resistencia ofrece la válvula al paso del fluido.

Cuando una válvula de control de regulación está completamente abierta su agujero de paso es lo más grande que puede y su Cv tendrá el valor máximo, a medida que la válvula cierra, el agujero disminuirá y Cv será menor.

4.2. Cálculo del CV

Técnicamente su definición es: el caudal de agua que puede pasar por una restricción a 60 F, medido en galones por minuto (gpm), que produce una pérdida de carga de una libra por pulgada cuadrada (psi).

Nota: Kv es lo mismo que el Cv pero en unidades métricas, la equivalencia es Cv = 1,156 x Kv

La única fórmula que deberíamos recordar:

Nota: Esta fórmula está simplificada, el cálculo del Cv exacto depende de más factores, no obstante con esta fórmula en muchos casos se podrá hacer un cálculo aproximado.

Si por ejemplo:

- El fluido es agua. Gravedad específica SG=1.
- Se ha definido un caudal de Q=50 gpm.
- Se ha reservado un pérdida de carga (P1-P2)=10 PSI.

Según la fórmula el Cv calculado será igual a 15,811

Ejemplo práctico:

1º- Se solicita al departamento de procesos que facilite los datos de operación de la válvula.

2º- Tras estudiar estos datos, el ingeniero de instrumentación, se debe sentar con el ingeniero de procesos, para entender la función de la válvula en el proceso, qué se espera de la válvula y si los datos son adecuados.

Después de esta pequeña charla, el ingeniero de instrumentación, procederá a calcular el Cv en cada punto de operación, propuesto por los procesistas.

Nota: Realmente para el cálculo del Cv, se usa algún programa de los que están disponible en internet como el de Masoneilan o el de Fisher, que tiene en cuenta mucho más factores y permitirá realizar un cálculo más preciso.

Nota: Y con estos valores Cv máximo ,Cv normal y Cv mínimo que sean calculado ¿Qué se hace?...pues básicamente tener entretenidos al departamento de instrumentación, porque el cálculo realmente importante es el que realizará el suministrador.

Se enviará los datos de procesos a los suministradores y estos indicarán el valor del “Cv” real que requiere la válvula que están ofertando para lograr las condiciones por procesos.

Nota: Si el diseño es correcto la válvula ofertada, será menor o igual a la tubería donde está instalada. Lo más común es que para instalar una válvula de control de regulación se tengan que instalar reductores en la tubería para adaptar la tubería a la válvula calculada. Sin embargo las válvulas todo-nada siempre suelen ser del mismo tamaño que la tubería.

Con los datos recibidos por el suministrador, se puede aprovechar para comprobar si el cálculo que realizó la ingeniería, se parece algo a lo que están proponiendo los suministradores. Si se parecen como un huevo a una castaña, se debe averiguar dónde está el problema.

En este ejemplo, el suministrador requiere un Cv (máximo) de 312,809, un Cv (normal)de 138,956 y un Cv (mínimo) de 69,092 (muy similar, al que había calculado el ingeniero de instrumentación).

Normalmente, el suministrador dispondrá para cada una de sus válvulas una curva que relaciona el Cv (lo grande que es el agujero), con el porcentaje de apertura en la que se encuentra la válvula.

Con esta curva se sabrá qué posición necesita la válvula para generar cada Cv calculado.

Un dato muy importante de la válvula ofertada, es el “Rated Cv”. Este valor, es el Cv al estar la válvula totalmente abierta (100%).

Nota: En el ejemplo, el punto de operación donde trabaja la válvula más abierta el Cv es 319, como el Rated Cv es 400. Aún, hay cierto margen de seguridad de sobredimensionamiento. Como regla general en válvulas de tipo globo, el Rated Cv (el Cv máximo de la válvula) debe ser al menos, 125% mayor que cualquier Cv máximo calculado con los datos de proceso.

Nota: Por otro lado como “regla general” el ruido calculado por el suministrador, en cada punto de operación, debe ser menor que el requerido por el cliente final. Últimamente en válvulas de control de regulación se está generalizado solicitar <85db. Cuando el cálculo supere lo requerido por el cliente, se puede seguir lo indicado en este artículo : “pulsar aquí - máximo nivel de ruido en una válvula ”

4.3. Tipos de curvas Cv

Cada suministrador para cada modelo de válvula de control, debería de disponer de su curva “Posición / Cv”.

Aunque cada válvula tiene la suya, se puede hablar de tres grandes grupos:

- Válvulas de apertura rápida
- Válvulas de apertura lineal
- Válvulas de apertura isoporcentual

Según las características mecánicas de cada tipo de válvula, su curva se identificará mejor con un grupo u otro. Por ejemplo, las válvulas de tipo mariposa y bola, por lo general tienen una curva similar, a las válvulas de apertura rápida y las válvulas de globo suelen ser lineales o isoporcentuales.

5. DATOS DE PROCESO DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL

5.1. Definir los Datos De Proceso de las Válvulas de Control de Regulación

A la hora de definir este tipo de válvulas es muy importante:

1º- Identificar adecuadamente los distintos escenarios, donde debe trabajar la válvula.

2º- Establecer entre que rangos trabajará la válvula, para controlar el proceso, en cada uno de los escenarios anteriores.

Es muy común, que los ingenieros mezclen estos dos conceptos. Una cosa es analizar los distintos escenarios del proceso y otra cosa es analizar los rangos, con los que la válvula, regulará en cada escenario.

Identificar los escenarios posibles como su propio nombre indica, es identificar las posibles situaciones en las que se puede encontrar el proceso. Esto podría suponer condiciones de presión, temperaturas, caudal, … totalmente diferentes, como es el arranque de una planta industrial, la parada o la situación de plena carga, etc.

Por otro lado, los rangos requeridos en cada escenario, son las posibles variaciones principalmente de caudal y presión que puedan surgir en cada escenario.

Ejemplo:

Dos bombas, envían agua a un tanque y en medio, controlando el caudal, tenemos una válvula de control de regulación.

Un ingeniero procesista ha decido que en el proceso se estudien 2 escenarios:

1º- Que esté funcionando 1 bomba

2º- Que estén funcionando 2 bombas.

Escenario 1º (Una bomba funcionando):

En este primer escenario, el ingeniero procesista, deberá indicar los rangos de las variables de procesos, donde la válvula tenga que trabajar, cuando hay una bomba funcionando

Para especificar este rango, se suelen establecer unos valores máximos, normales y mínimos.

Datos escenario 1º (Rango de funcionamiento con 1 bomba funcionando)

Con estos datos se está indicando que con 1 bomba funcionando, la válvula casi totalmente abierta debe dar un rango mayor de 10kg/s, que normalmente trabajará entorno a 8,7Kg/s y que tiene que ser capaz de regular un caudal mínimo de 1kg/s.

Escenario 2º (2 bombas funcionando)

En este caso 2, el ingeniero procesista nuevamente deberá indicar los rangos de las variables de procesos donde la válvula tenga que trabajar.

Datos escenario 2º (2 bombas funcionando)

Nota: Hay tres errores típicos cuando los ingenieros de procesos especifican los datos de proceso.

1º- Por realizar menos cálculos en lugar de estudiar el comportamiento de la válvula en cada escenario, se propone estudiar un mínimo, normal y máximo de un escenario mix de todos. Al hacer esto no se puede evaluar adecuadamente como actúa la válvula ante las distintas circunstancias del proceso.

Cuidado, con esto no se pretende decir que siempre haya que analizar todos los posibles escenarios del proceso y todos los posibles rangos, simplemente se señala que, en muchas ocasiones, no vale sólo con analizar tres puntos (mínimo, normal y máximo), como suele requerirse en las especificaciones del cliente, la experiencia y el sentido común irá mostrando a los ingenieros que escenarios merecen ser estudiados.

2º- El segundo error más común en los datos de proceso, es que en cada situación, el procesista podría requerir unos rangos de operación demasiados amplios. En el ejemplo anterior, había un mínimo 1kg/s y un máximo de 27kg/s, esto supone un rangeabilidad de 27/1 lo que en muchos casos podría ser un requisito excesivo. Para no tener que sobredimensionar los equipos ni dañarlos, es conveniente acotar la rangeabilidad todo lo que permita el proceso o dicho de otra forma, a veces hay que preguntar al ingeniero de procesos, ¿por qué se requiere que la válvula controle ese rango de operación?

3º- Otro error muy común en los datos de proceso es que “la caída de presión definida en la válvula no sea la más adecuada”. Este punto se intentará explicar más adelante.

Nota: Hay un error típico, cuando los ingenieros de instrumentación y control especifican una válvula de control de modulación. Intentar especificar la válvula, basándose exclusivamente en los datos de proceso y esto: "no es suficiente".

Para poder especificar correctamente una válvula de control de regulación, no solo se necesitan datos, hay que entender la función de la válvula dentro del proceso industrial y esto en la mayoría de los casos, suele requerir de levantarse de la silla y "SENTARSE CON EL INGENIERO DE PROCESOS" para aclarar todas las inquietudes que se tengan.

5.2. Definir los datos de proceso de una válvula Todo-Nada

Es muy común en este tipo de válvulas, dar excesiva importancia a los datos de proceso.

En la mayoría de los casos para especificar adecuadamente estos equipos, hay que fijarse principalmente en tres aspectos:

- Las condiciones de diseño (presión y temperatura)

- Máxima presión de shutoff (máxima presión de proceso que tendrá que vencer el actuador)

- Tiempos mínimos requeridos para el cierre y apertura de la válvula.

5.3. Datos de proceso de una válvula Todo-Nada de Masa Calibrada

Un tipo especial de válvulas de control todo-nada, son las "válvulas de masa calibrada".

En este caso, la válvula al abrir, se encuentra un tope mecánico, que la limita y la mantiene en una posición previamente establecida.

Este tipo de válvulas, se utilizan cuando debido al proceso, se ha establecido un punto de funcionamiento en el que debe trabajar la válvula. Por ejemplo, para mantener un determinado equilibrio entálpico en un sistema.

En este tipo de aplicaciones, pese a ser válvulas todo-nada, sí que es importante analizar los escenarios y rangos que se consideren oportunos, analizando en detalle los datos de proceso y realizando los cálculos de Cv en cada punto.

Normalmente, los procesistas establecerán las condiciones en la que debe trabajar la válvula, indicando entre otras cosas, las presiones a la entrada y salida (caída de presión), el caudal, la temperatura, etc...

Las válvulas más utilizadas para estas aplicaciones son las válvulas de globo con "limitador de recorrido" (travel stop).

Los requisitos más importantes para estas válvulas son:

1º-Deben ser lineales. Al contrario de las válvulas todo-nada convencionales, que suelen ser de apertura rápida. De esta forma, será más sencillo, realizar un ajuste adecuado del Cv requerido.

2º-Deben de disponer de "travel-stop", para poder reajustar en obra dicho valor si es necesario.

3º- Su ajuste debe de estar entorno al 70%.

5.4. Definir los datos de proceso de una válvula con Posiciones Intermedias

Al igual que en las válvulas de control de modulación, el departamento de procesos facilitará los datos de proceso, el departamento de instrumentación debe calcular y analizar cómo se comportará la válvula en cada una de las posiciones intermedias.

Nota: A veces se especifican válvulas con posiciones intermedias, cuando en realidad sería suficiente con una válvula de masa calibrada, debido principalmente a la falta de experiencia con este otro tipo de válvulas.

5.5. Definir los datos de proceso de una válvula manual

Normalmente, estas válvulas se especifican sin requerir datos de proceso, con un simple listado, indicando principalmente las condiciones de diseño.

En algunas ocasiones, se utilizan válvulas manuales para equilibrar sistemas hidráulicos, de la misma forma que antes se explicaba para las válvulas de masa calibrada, en estos casos es necesario especificar las condiciones de proceso (sin olvidarse de indicar la caída de presión de la válvula) como en las válvulas de masa calibrada, para que el suministrador valide el uso de la válvula para dicha aplicación y que nos calcule la posición que se tendrá que colocar la válvula para equilibrar el sistema (aunque muy pocas veces se hace!!).

En resumen, siempre que una válvula por condiciones de proceso, requiera una posición intermedia (ni totalmente abierta ni cerrada), se debe reflejar en las hojas de datos, las condiciones del proceso en esas situaciones y exigir al suministrador, que realice los cálculos oportunos para validar dicha aplicación. Esto debería implementarse en todas las válvulas, sin importar que sean manuales, todo-nada, posiciones intermedias o modulable.

Nota: En otros artículos se analizará como especificar adecuadamente los datos de proceso de las válvulas de seguridad y de las válvulas auto-reguladas.

6. CÓMO ACTÚA UNA VÁLVULA EN UN SISTEMA HIDRÁULICO

6.1. Curva de una bomba

Nota: Primero un repaso de mecánica de fluidos.

Esta es la curva típica de una bomba, cuando gira a una velocidad determinada.

La velocidad de giro, la suele establecer el motor al que está enganchada la bomba.

El motor, siempre suele girará a la misma velocidad (mientras no se haya instalado un variador de velocidad).

En el eje horizontal de la gráfica, se muestra el caudal y en el eje vertical, la altura de elevación.

La altura de elevación, es proporcional a la presión en la impulsión de la bomba. Indica los metros que la bomba, es capaz de elevar el agua (despreciando las pérdidas dinámicas).

Por ejemplo, si se quisiera que la bomba del dibujo, bombera agua al depósito situado a 3 metros por encima, despreciando la resistencia del sistema al paso del fluido (resistencia dinámica), se estaría en el punto que se indica en el siguiente dibujo:

La recta que se ha marcada en rojo, es lo que se llama la perdida de carga del circuito, el punto donde corta con la curva de la bomba marca el punto de funcionamiento.

En el ejemplo, para elevar la el agua 3 metros, la bomba estaría trabajando con un caudal de 5,5m3/h.

6.2. Pérdida de carga real del circuito

Realmente, la pérdida de carga de cualquier circuito hidráulico, nunca es una recta, como la mostrada en el dibujo anterior. La gráfica real, es una curva ascendente.

La bomba, además de vencer la altura de 3 metros (valor fijo), también tiene que vencer la fuerza de oposición del circuito (tubería), al paso del fluido (llamada perdida dinámica del sistema).

Las perdidas dinámicas, son proporcional al caudal que se intenta desplazar. Cuanto mayor es el caudal más resistencia dinámica encuentra. Por ello, se puede ver como la curva, asciende exponencialmente al aumentar el caudal.

6.3. Funcionamiento de la válvula

Si se instala una válvula de control de regulación en el circuito.

Abriendo y cerrando más la válvula, se podrá modificar la curva de la pérdida de carga, provocando un incremento de las pérdidas dinámicas del circuito.

Si se analizan los dos puntos marcados (A y B) en la gráfica:

En el “punto A” el caudal es cero y la presión es máxima. En este caso, la bomba no consigue vencer la oposición del circuito. Es el típico caso, de una bomba trabajando contra una válvula cerrada.

En el “punto B” el caudal es máximo y la presión mínima. En este caso, la oposición al paso del fluido es mínima, en el ejemplo la válvula estaría totalmente abierta.

A medida que una válvula situada en la impulsión de una bomba va abriendo, la curva de la perdida de carga del circuito se va haciendo más horizontal, por lo que la presión en la impulsión de la bomba disminuirá y el caudal aumentará, acercándonos desde el “Punto A” al “Punto B” de la gráfica.

Por el contrario, a medida que la válvula va cerrando, la curva se va volviendo más vertical. El circuito empezará a oponerse al paso del fluido, por lo que la presión aumentará y el caudal disminuirá, acercándonos desde “Punto B”, al “Punto A”.

Si se miden los valores de presión, en distintos puntos del circuito, con la válvula medio abierta, se podría tener algo así.

- En el "punto 1", en la aspiración de la bomba, la presión será muy baja (0 barg).

- Sin embargo en el "punto 2", la impulsión de la bomba, la presión será la máxima del circuito (10 barg).

- Al final de la línea, antes de la válvula, la presión habrá caído un poco, principalmente en función del diámetro y la longitud de la tubería (8 barg).

- Justo después de la válvula de control la presión habrá caído (2 barg), debido a la caída de presión, originada por el estrechamiento de la propia la válvula.

Cuanta más cerrada esté la válvula, "más caída de presión provocará" y menos caudal pasará. Esta deducción, lleva al siguiente punto, que es sin duda uno de los puntos claves, para poder entender el papel de una válvula, en un sistema hidráulico.

6.4. Caída de presión requerida a una válvula de control

"Para que una válvula pueda regular el caudal de un sistema, es necesario reservarle una suficiente caída de presión en la fase de diseño"

Por un lado, esta caída de presión, es energía perdida que se retiene en la válvula. Pero por otro lado, esta caída de presión nos permitirá tener disponible, una reserva de presión, por si el sistema lo requiere.

Energía Perdida >> VERSUS << Reserva de Presión

Por ejemplo, en fase de cálculo se ha diseñado el proceso para que con la válvula al 50% de apertura, el proceso produzca una caída de presión de 6 bar y esto haga que pase un caudal de 5m3/h.

Pero si resulta que, tras instalar el circuito calculado, en la realidad la bomba no consigue bombear tan fuerte como se esperaba y la presión que le llega a la válvula, es inferior a la estimada, por ejemplo 5 barg. Gracias al margen de presión, que se le había reservado a la válvula en la fase de diseño, la válvula sólo tendrá que abrir un poco más para lograr de nuevo que pase un caudal 5m3/h.

Por ello hay que entender que, las válvulas de regulación actúan como un "banco de presión", retienen la presión del sistema, para poder disponer de presión cuando se requiera.

La caída de presión, que se le reserva a la válvula, depende principalmente de, cómo el ingeniero de procesos, ha diseñado el sistema.

Cuando un procesista modela un sistema hidráulico, es cuando decide en la mayoría de los casos, que caída de presión va a reservar a nuestro equipo. Este valor, debe ser el suficiente, para controlar adecuadamente el proceso, sin malgastar excesiva energía.

Para entender esto un poco mejor, ver el siguiente ejemplo.

6.4.1. Enunciado

Se tienen 2 depósitos, uno ubicado a 20 metros del otro

Se instala una tubería para llenar el depósito de abajo por gravedad.

La tubería mide 30 metros y tiene una sección una 1”.

Al tener 20 metros de columna de agua por encima, se cuenta con una presión estática de 2 barg.

En medio se coloca una válvula de control, para que permita regular un caudal entre 6,5 m3/h y 5 m3/h.

6.4.2. Modelar el sistema

Para poder especificar una válvula se necesita que un ingeniero de procesos, calcule antes los datos de operación de la válvula. Para ello, previamente debe modelarse el sistema (usando un programa como el “Pipe-flow” u otro), y ver qué sucedería en los distintos escenarios.

Se introduce los dos tanques en el modelo. 


A un tanque se le da la altura de 20 metros, y el otro se instala a nivel de suelo.


Se dibujan los tramos de tubería de 15 metros cada uno, y 1” de diámetro nominal.


Y se instala una  restricción en el medio, que simulará la válvula de control, provocando una caída de presión.

6.4.3. Calcular el caso de máximo caudal

Se calculará, cuál es la máxima caída de presión, que debe generar la válvula, para que pase el máximo caudal requerido. Así se sabrá, cómo de grande debe de ser la válvula requerida.

Se introduce el máximo caudal de operación.

El programa de cálculo indica, que para ello se necesita generar una caída de presión en la válvula de 0,5 bar.

Antes se había visto que la fórmula (simplificada) de las válvulas, era:

Por lo que según esto, si:

Q= 6,516 m3/h
SG=1 (agua)
P1-P2=0,5 bar

Según la fórmula anterior y teniendo en cuenta las conversiones de unidades pertinentes.

Cv = 10,6

Este valor, está indicando que cuando la válvula, tenga un Cv de = 10,6, según los cálculos pasaría un caudal de Q=6,516 m3/h.

Se había dicho que el Cv es más menos lo grande que es el agujero de la válvula. Con este valor se puede saber el tamaño mínimo de la válvula requerida.

Nota: En esta fase del cálculo, al Cv máximo requerido, se le suele aplicar un factor de sobredimensionamiento. La válvula seleccionada debe de tener un Rated Cv (el máximo Cv de la válvula seleccionada) de al menos 1,25 veces el Cv máximo calculado: Rated Cv > 1,25 x 10,6 = 13,25 (Tamaño final de la válvula Rated Cv >=13,25)

6.4.4. Calcular el caso de mínimo caudal

Ahora, se calculará, la caída de presión que se necesita, para qué pase el mínimo caudal, esto permitirá saber, cuánto se tendrá que cerrar la válvula, para llegar al mínimo caudal requerido.

A medida que la válvula vaya cerrando el Cv se irá reduciendo, la caída de presión irá aumentando y el caudal ira disminuyendo.

En el ejemplo, el proceso requiere controlar un caudal mínimo de 5,234 m3/h, para ello se necesita volver al modelo y calcular la nueva caída de presión que debe provocar la válvula, con este caudal.

 

Según los cálculos del programa, la válvula debe provocar una caída de 1 bar.

Aplicando la fórmula:

Si:

Q= 5,234 m3/h
SG=1 (agua)
P1-P2=1 bar

El nuevo Cv = 6

Según el modelo, cuando se requiera un caudal de 5,234 m3/h, se necesitará que el paso de la válvula sea Cv = 6.

6.4.5. Dónde está trabajando la válvula

Como conclusión a los cálculos anteriores: se necesita una válvula de Rated Cv mayor de 13,25 y por otro lado, para que dicha válvula regule un caudal entre 6,516 m3/h y 5,234 m3/h, tendrá que modificar su porcentaje de apertura, provocando un Cv entre 10,6 y 6.

Los suministradores de válvulas de control, deben facilitar la curva, que relaciona el Cv con el porcentaje de apertura de la válvula.

Por ejemplo, la siguiente gráfica, corresponde a una válvula, isoporcentual de 1”, de simple asiento, de globo, modelo EWT, de un fabricante conocido.

El Rated Cv (Cv al 100%) es 14. Al ser mayor que 13,25 a priori sería adecuado.

El proceso requiere un Cv entre 6 y 10,6, por lo que la válvula estaría moviéndose entre un porcentaje de 71% y 85%.

6.5. Cuál es la caída óptima de una válvula

Anteriormente, se vio que, según el diseño propuesto, para controlar un caudal entre 6,516 m3/h y 5,234 m3/h, se necesita generar una caída de presión entre 0,5 bar y 1 bar .

Esta caída de presión es energía perdida que retiene la válvula, que tendrá disponible por si el sistema lo requiere.

Si a la válvula, no se le hubiese reservado un caída de presión suficiente y el proceso necesitara de más el caudal, aunque se abra más la válvula, apenas se notaría un incremento en el caudal (al ser la caída de presión en la válvula muy pequeña en comparación con la caída total del sistema).

Reservar esa caída de presión a la válvula, aumentarla o disminuirla es una decisión durante el diseño. Si se considera que la caída de presión del ejemplo debería ser mayor, hay dos opciones a la hora de diseñar el proceso:

1º- Poner una tubería más ancha, que provoquen, unas pérdidas de presión en la tubería, menores y así reservar más presión, para la válvula.

2º- Instalar el tanque más alto, para subir la presión que le llega a la válvula y poder perder más presión, en la válvula.

En resumen, en ambos casos si se pretende una caída de presión mayor en la válvula, hay que sobredimensionar el sistema.

Pero, cuál es la caída óptima en la válvula, con la que se tendría que diseñar el sistema. Las recomendaciones dicen que como mínimo, se debe reservar a la válvula, un 10% de la presión total disponible y un 20% en líneas muy largas. Pero esto, es un criterio muy genérico, que requiere cierta reflexión.

Sobre este tema, es muy interesante el artículo de J.R. Conell, para el instituto de tecnología de Alberta: “CAIDAS DE PRESIÓN REALISTA EN LAS VÁLVULAS DE CONTROL”, el cual se puede encontrar fácilmente en Español en internet.

J.R. Conell, tiene en cuenta tres factores a la hora de decir la caída de presión óptima:

1º- La caída de presión base “B”, mínima caída de presión perdida por el tipo de válvula usada.

2º- El porcentaje de error previsto, en la caída del resto del presión del circuito.

3º- Considerar que se podría requerir un incremento del caudal por encima del caudal de diseño.

Nota: Aunque el resultado es parecido, el planteamiento de este artículo es algo distinto al trabajo expuesto por J.R. Conell.

No obstante, el lector debe tener en cuenta, que en este artículo, no se pretende establecer la forma de calcular un problema de mecánica de fluidos, eso se lo dejamos para los futuros doctores universitarios. Este artículo, sólo pretende ayudar a asimilar los conceptos básicos, relacionados con la aplicación de una válvula en un sistema hidráulico (y dicho esto, seguimos).

6.5.1. Caída de presión base “B”

Caída de presión base, es la caída de presión que generará la válvula estando totalmente abierta, esta energía no será aprovechada pero es debido a las características mecánicas de la válvula seleccionada.

Cada tipo de válvula tendrá una presión base diferente.

Por ejemplo:

- En una válvula de globo de simple asiento: La caída de presión base podría ser 0,8 bar
- En una válvula de globo de doble asiento: La caída de presión base podría ser 0,5 bar
- En una válvula de globo de jaula: La caída de presión base podría ser 0,3 bar
- En una válvula de mariposa: La caída de presión base podría ser 0,02 bar
- En una válvula de bola: La caída de presión base podría ser 0,07 bar

Nota: Aunque según esto, las válvulas de mariposa o bola tengan unas perdidas base menores, lo que se traduce en menos energía perdida con la válvula totalmente abiertas, su capacidad de regular es mucho peor que las válvulas de globo. Las válvulas que se suelen usar para modular en la mayoría de los procesos industriales suelen ser de globo. No obstante en otro artículo abordaremos en más detalle sobre las características mecánicas de cada tipo de válvula.

Como breve resumen cuando se vaya muy justo de energía (presión), no necesitemos un control preciso del caudal o en tuberías muy grandes (>10”) quizás una buena solución podría ser instalar una válvula de mariposa.

Esta caída de presión base debe ser considerada durante la fase del cálculo del caudal máximo, nuestra caída de presión en el caso de máximo caudal siempre debe superar a la caída de presión base.

Según nuestro ejemplo durante el cálculo, teníamos que:

Caída de presión calculada en la válvula era “0,5 bar”, pero según nuestras notas “En una válvula de globo de simple asiento: La caída de presión base podría ser 0,8 bar”, podríamos tener problemas si queremos usar una válvula de simple asiento. Necesitaremos por ejemplo, elevar el tanque, para disponer de más presión en la válvula.

6.5.2. Porcentaje de error previsto en el circuito

Los cálculos de pérdidas de presión en los circuitos hidráulicos, son siempre una estimación, su valor real depende de las longitudes finales del trazado y de la fabricación de los equipos.

Habrá procesos, donde esta incertidumbre puede ser menor, porque el sistema es muy sencillo, con tuberías de corto recorrido. Pero habrá otros procesos, donde la incertidumbre pueda ser mucho mayor, al pasar el fluido por una tubería más largas o por pasar por equipos más complejos (como intercambiadores, filtros,…)

En estos último casos, no se podría calcular de forma tan precisa, la caída de presión del resto del circuito y es conveniente, darle un margen mayor de sobredimensionamiento, a los elementos (5%, 10%, …).

Para aplicar este porcentaje de incertidumbre a los distintos equipos, se considera que:

1º- Por un lado debería sumarse el porcentaje que aplique a cada equipo durante el diseño, en el cálculo de la condición de máximo caudal.

En el ejemplo sólo hay que considerar dos tramos de tuberías de 15m de 1”, con tramos tan cortos y elementos tan sencillos, el error de incertidumbre será muy bajo y afectará muy poco a la caída de presión disponible en la válvula.

Al considerar la pérdida adicional de presión en el circuito, queda menos caída de presión en la válvula, con lo que en la condición de máximo caudal, la válvula tendrá que estar más abierta.

2º- Por otro lado, el cálculo de mínimo de caudal nos ayuda a prever el mínimo porcentaje de apertura que podríamos requerir nuestra válvula. En este caso el peor escenario es considerar que la pérdida del resto del circuito es menor a la esperada, con lo que el error de incertidumbre antes calculado debería de restarse para el estudio de la condición de mínimo caudal.

Si en nuestro ejemplo en el cálculo del caudal mínimo, habíamos calculado que la válvula tendría que estar como mínimo en el 71%, si tenemos en cuenta el error previsto en el circuito de nuestro ejemplo, tendríamos llevar la válvula hasta el 69%.

6.5.3. Posible incremento del caudal de diseño

El tercer factor a considerar es un posible incremento del caudal de diseño.

En todo proceso, también hay cierta  incertidumbre en los caudales requeridos.

No se suele dimensionar una válvula para un solo punto de caudal, en el ejemplo se indicaba un rango entre 6,5 m3/h y 5 m3/h, este rango podría ser apropiado si por ejemplo, el proceso se hubiese diseñado para un caudal de diseño 6m3/h.

Nota: Entender adecuadamente las válvulas de control, requiere tiempo, trabajo y paciencia. Pero con esos tres ingredientes cualquiera puede conseguirlo ;)

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Julio César Fernández Losa 04/12/2016