Cálculo de Cv para válvulas de control

VÁLVULAS DE CONTROL

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VÁLVULAS DE CONTROL

ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMÁTICA – SENSORES Y ACTUADORES

IQ. Fabio Castr illó ill ón Her ná nández IM. Juan Migu el Vá Vásquez C. IM. Rafael Es teban Vá Vásquez M.

Las válvulas de control son los elementos finales más usuales en plantas de proceso. Por medio de válvulas se manipulan los flujos para mantener las variables controladas en el valor deseado. A veces, el mismo flujo puede ser la variable controlada. La válvula actúa como una resistencia en la línea, disipando la energía entregada por la bomba al fluido. En otras palabras, la válvula genera una caída de presión variable para regular el flujo.

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CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS

PARTES DE UNA VÁLVULA

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Las válvulas de control se pueden clasificar de diferentes formas: 1. Según el tipo de fluido a manejar: • Líquido: se considera incompresible, por lo que la densidad sólo depende de la temperatura. • Gas: por ser compresible el flujo se expande debido a la caída de presión a través de la válvula. • Vapor: también es compresible, pero se trata aparte del servicio de gases debido a los rangos de temperatura y presión típicos; además, se debe considerar la presencia de dos fases y el problema de corrosión. ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMÁTICA – SENSORES Y ACTUADORES

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2. Según el número de vías: • Dos vías. • Tres vías. • Cuatro vías.

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CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS 3. •

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CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS

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Según el tipo de obturador: Bola: posee un obturador rotativo de forma esférica con un orificio axial; debido a su corta carrera (usualmente un cuarto de vuelta) no se usa para regular flujo, sino para el cierre o apertura total de tuberías.

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• Globo: utiliza un obturador lineal o reciprocante con diferentes formas de sólido de revolución; se utiliza para regulación ya que no permite un cierre total.

• Compuerta: posee un obturador lineal en forma de disco; se utiliza para regulación y cierre.

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CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS

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• Mariposa: posee un obturador rotativo en forma de placa o disco pivotado en el centro; se utiliza principalmente para regulación de flujo en gases y no sirve para cierre.

4. Según el tipo de actuador: • Manual: manija o palanca accionada por un operario; no hace parte de un lazo automático de control, sino que se usan para cierre manual de líneas durante paros del proceso.

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CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS

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• Eléctrico: • Solenoide: para uso en control on – off; la válvula sólo puede estar completamente abierta o completamente cerrada, no hay posiciones intermedias.

• Eléctrico: • Servo motor: la posición de la válvula es función de la señal de control en voltaje; el servo está conectado a un reductor de velocidad para multiplicar el torque.

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• Neumático: la posición de la válvula es función de la señal de control en presión; constructivamente, puede ser del tipo pistón o diafragma.

La característica en falla es la posición extrema que toma la válvula cuando falla la alimentación y/o la señal de control. Puede ser cerrada en falla (aire para abrir, ATO) o bien, abierta en falla (aire para cerrar, ATC). La característica en falla se elige pensando exclusivamente en la seguridad del proceso.

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CARACTERÍSTICA EN FALLA

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ATO ATC

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COEFICIENTE DE VÁLVULA

CARACTERÍSTICA INHERENTE

El coeficiente de válvula Cv se define como “la cantidad de

La característica inherente es la relación matemática entre el área de apertura de la válvula (A) y la posición del obturador (x).

agua en galones norteamericanos por minuto (gmpUS) que fluye a través de una válvula completamente abierta, con una caída de presión de 1 psi ”. Fue utilizado por primera vez por el fabricante Masoneilan International Inc., en 1944, y desde entonces ha sido utilizado ampliamente por otros fabricantes. Cv es un parámetro inherente a la válvula que define su tamaño; por ende, es independiente del flujo, presión, y demás variables asociadas al flujo. ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMÁTICA – SENSORES Y ACTUADORES

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VÁLVULAS VÁLVULAS

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Asiento de la válvula Área efectiva de flu jo Obturado r de la válvula

Para normalizar los cálculos, se define una fracción de apertura: f(x) =

A(x) Amax

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ECUACIONES DE FLUJO

La característica inherente depende únicamente de la geometría del obturador respecto al asiento de la válvula. Por tanto es invariante respecto al flujo o presión. En el mercado existen diversas características inherentes:

1. Para el servicio de líquidos: la expresión más utilizada se debe al fabricante Masoneilan (1944). Otros fabricantes utilizan expresiones similares:

F(x) (%)

f( x )R C

x =R xT

f( x )A R = 1 − e

f (x ) LIN =

x /R xT

x xT x

f( x )IS O = R x T

VÁLVULAS VÁLVULAS

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CARACTERÍSTICA INHERENTE

−1

X (%)

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)

Cv ⋅ f ( x ) ⋅ Cf ⋅ P1 y − 0.148y3 1+ 0.0007 ⋅ TS H

)

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VÁLVULAS VÁLVULAS

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(

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Donde: Q: flujo volumétrico (gpmUS). Cv: coeficiente de válvula (gpmUS/psi0.5). Gf: gravedad específica (adimensional). ∆Pv: caída de presión a través de la válvula (psi). f(x): fracción de apertura de la válvula (%) IQ. Fabio Castr illó ill ón Her ná nández IM. Juan Migu el Vá Vásquez C. IM. Rafael Es teban Vá Vásquez M.

ECUACIONES DE FLUJO

2. Para el servicio de gases: • Flujo volumétrico Cv ⋅ f ( x ) ⋅ Cf ⋅ P1 Q s = 836 ⋅ y − 0. 148y3 G ⋅T • Flujo másico 520 M = 2.8 ⋅ Cv ⋅ f ( x ) ⋅ Cf ⋅ P1 G ( y − 0.148y3 ) T 3. Para vapor de agua en flujo másico:

(

∆Pv Gf

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ECUACIONES DE FLUJO

M = 1.83 ⋅

Q = Cv ⋅ f ( x ) ⋅

Donde: Qs: flujo volumétrico en estándar pies cúbicos por hora (scfh); las condiciones estándar son de 14.7 psia y 60°F. G: gravedad específica del gas a condiciones estándar; para gases perfectos es la relación entre el peso molecular del gas y el peso molecular del aire (29). T: temperatura en °R. Cf: factor de flujo crítico (depende de la válvula). 0.6