Valvulas Paper

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER INGENIERIA ELECTROMECANICA

INSTRUMETACIÓN INDUSTRIAL IDISEÑO Y SELECCIÓN DE VALVULAS DE CONTROL

LUZ ELENA PEÑARANDA. Cód. [email protected]

OSCAR RICARDO SANDOVAL. Cód. [email protected]

ABDUL ORLANDO CARDENAS. Cód. [email protected]

WILMER FAVIAN LOPEZ. Cód. [email protected]

CARLOS EDUARDO CASTILLA. Cód. [email protected]

Resumen: En el presente documento se explicará de forma detallada generalidades de las válvulas de control así como también dos métodos de diseño y selección de válvulas de control para aplicaciones en diferentes procesos industriales.

Palabras clave: Válvulas de control, diseño, selección, actuadores, diafragma, FIRSTVUE de Fisher.

1. INTRODUCCIÓN

Los procesos industriales pueden ser de distinta naturaleza pero generalmente tienen como aspecto común, que se requiere del control y manipulación de algunas magnitudes, como son: la temperatura, el caudal, la presión y el nivel. El diseño y selección correcta de las válvulas como elemento final de control mediante los métodos teórico donde se utilizan los catálogos suministrados por el fabricante o mediante el uso del software FIRSTVUE de Fisher; nos permite ejecutar acciones generadas por el controlador ya sea automatizado o manual para mantener controladas dichas variables y así optimizar el desempeño en un proceso industrial.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Conocer los métodos de diseño y selección de válvulas de control como el método teórico o manual y el método mediante el software FIRSTVUE de Fisher.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Conocer el método teórico de diseño y selección de válvulas de control.

Familiarizarse con el software FIRSTVUE de Fisher el cual permite diseñar y

seleccionar las válvulas de control para los diferentes tipos de procesos industriales.

Estudiar algunas características y generalidades de los tipos de válvulas de control para así poder aplicarlas correctamente.

3. MARCO TEÓRICO

Antes de empezar a conocer de qué forma se debe seleccionar válvulas es importante saber que la válvula se compone de dos partes, actuador y cuerpo, a continuación veremos los tipos de cuerpos de las válvulas que hay en el mercado y las aplicaciones de cada una y después continuaremos con los actuadores, esto a fin de tener en cuenta todos los parámetros posibles al momento de realizar la selección.

3.1 Tipos de válvulas

Válvulas de compuerta.

La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento (fig. 1).

Figura 1. Válvula de compuerta.



Válvulas de macho

La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90° (fig. 2).

Figura 2. Válvula de macho.

Válvulas de globo

Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería (fig. 3).

Figura 3. Válvula de globo.

Válvulas de bola

Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto (fig. 4).

Figura 4. Válvula de bola.

Válvulas de mariposa

La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación (fig. 5).

Figura 5. Válvula de mariposa.

Válvulas de diafragma

Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación (fig. 6).

Figura 6. Válvula de diafragma.



En la Tabla N°1 de los anexos se puede encontrar información mas detallada de los tipos de válvulas vistos.

3.2 Actuadores

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. Existen tres tipos de actuadores, hidráulicos, neumáticos y eléctricos.

Actuador hidráulico

Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen dos grandes grupos:

1. cilindro hidráulico 2. motor hidráulico

Cilindro hidráulico

De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación.

Figura 7. Actuador de cilindro hidráulico

En el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de la corriente. Es decir, si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser extendido fácilmente.

Motor hidráulico

En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite

a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia.

Actuadores Neumáticos

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Pueden clasificarse en dos tipos básicos; el de resorte y diafragma y el de cilindro o pistón (sin resorte). El primero de ellos es el más usado y puede ser de "aire para bajar" (air-to-lower, directo) o de "aire para subir" (air-to-raise, inverso).

Figura 8. Actuador neumático (Acción Directa Inversa)

Actuador de Diafragma Resorte

El actuador de diafragma se dice así por el diafragma o membrana flexible que separa dos cámaras cóncavas aplanadas.

Al menos una de las cavidades está conectada a una la línea de presión que opera el actuador. El aire a presión expande el diafragma y arrastra el eje del actuador en un movimiento lineal. Generalmente estos actuadores actúan contra un muelle que es el responsable de devolver el diafragma a su posición inicial cuando deja de aplicarse presión a la cámara. A continuación veremos las partes de un actuador de diafragma resorte (figura 9).

Figura 9. Actuador de Diafragma Resorte



Actuador Cilindro o Pistón

Un cilindro actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida a lineal, o en línea recta, fuerza y movimiento. Puesto que el movimiento lineal es un movimiento hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una línea recta, este tipo de actuadores se conoce a veces como motor recíproco, o lineal. La presión del fluido (aire) determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo.

Figura 10. Actuador Cilindro o Pistón

Actuadores Eléctricos

La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entra la fuente de poder y el actuador, en la mayoría de los casos se utilizan engranajes para aumentar el par y también dispositivos que limitan el movimiento del actuador para no dañar la válvula.

Figura 11. Actuador Eléctrico

4. DISEÑO Y SELECCÓN DE VALVULAS

A la hora de diseñar o seleccionar válvulas se deben tener en cuenta dos parámetros principales:

Tipo de servicio: Esto se refiere al tipo de fluido que debe circular por la válvula (líquido, gas, líquidos con sólidos en suspensión, gas con líquido, sólidos con gas).

Función de la válvula: Puede ser de apertura rápida, de estrangulamiento (cuando se desea controlar la cantidad de flujo), de tres vías (para mezclar dos fluidos), de emergencia (para dejar salir el exceso de presión en un fluido).

Teniendo claro ya estos parámetros se procede al calcula del Cv (coeficiente de la válvula), muchas de la empresas que fabrican válvulas tienen sus propias ecuaciones para calcular este coeficiente, y algunas han desarrollado software para facilitar el trabajo del ingeniero instrumentista, a continuación se observaran dos formas diferentes para calcular el Cv y seleccionar la válvula, la primera mediante el software FIRSVUE desarrollado por la compañía EMERSON y la segunda es una forma manual en las que se usan unas ecuaciones determinadas.

4.1 Selección Y Diseño Con FIRSTVUE de Fisher

Para el diseño y selección de una válvula de control para el desarrollo efectivo de la automatización, supervisión y control de un proceso industrial se deben de realizar los siguientes pasos:

1. Conocer las propiedades del fluido que se va a utilizar, estas son:

Pc: presión crítica. Pv: presión de vaporización. SG: gravedad específica del fluido. Nombre del fluido.

2. Conocer las condiciones de servicio en las cuales va a operar la válvula, entre ellas se tienen:

P1: presión de entrada de la válvula. dP: caída de presión en la válvula. Q: caudal que atraviesa la válvula. En algunos casos se necesita la Temperatura

del fluido.



Conociendo los anteriores pasos se puede realizar un estudio en el programa Fisher, se inicia el programa y se obtiene la imagen de la figura 12.

Figura 12. Pantalla de Inicio de Firstvue de Fisher.

Se crea un nuevo proyecto con el nombre deseado (Figura 13).

Figura 13. Nuevo proyecto / save

Al crear el nuevo proyecto se puede realizar los cálculos pertinentes en la hoja de cálculo seleccionando la pestaña sizing y luego Spreadsheet (Figura 14).

Figura 14. Comienzo de la interface para realizar los cálculos.

Al oprimir Spreadsheet se obtiene la siguiente imagen:

Figura 15. Hoja de cálculos del programa Firstvue de Fisher.

Se ingresan las condiciones del fluido que para este ejemplo es propano líquido y las condiciones de servicio al programa para poder así hallar la capacidad necesaria por la válvula, se obtiene la figura 16.

Figura 16. Cálculo de capacidad de válvula máxima necesaria.

Cuando se obtiene la capacidad de la válvula (Cv) se procede a utilizar la lista de válvulas que tiene la compañía Fisher, dando clic en el botón FLOW COEFF`S y abre así la lista de la figura 17.



Figura 17. Selección del estilo y tipo de válvula necesaria, isoporcentual.

Se selecciona una válvula que tenga la capacidad de válvula en una abertura del 80% (Figura 18), y conociendo la válvula tomamos los valores del coeficiente de recuperación (Km) y el índice de cavitación que es el mismo.

Figura 18. Selección de la válvula por su capacidad.

Así mismo, teniendo los valores de diseño de la válvula se realiza nuevamente los cálculos en la hoja de cálculos del programa.

Se obtiene así los siguientes resultados:

Cv: Valor corregido de la capacidad requerida en la válvula.

dP allowable: Caída de presión admisible. dP cavitation: Caída de presión de cavitación. Cav.Trim.App.Ratio: Coeficiente de cavitación

mínima. Rc: Relación de presión Crítica. STATUS: Estado de la válvula.

Figura 19. Resultados de los cálculos

Por último, solo queda comprobar el Cv corregido y el límite de trabajo mínimo y máximo en la cual trabajará la válvula sea acorde a la escogida en el paso anterior.

4.2 Selección Y Diseño Usando Ecuaciones y Catálogos.

Como mencionamos anteriormente el diseño y la selección también puede hacerse con el uso de ciertas ecuaciones que están ya estandarizadas, aunque algunas veces puede variar algún parámetro de la ecuación dependiendo del proveedor que se elija. En esta ocasión se trabajara con la empresa MANKENBERG, esta es una empresa que nos ofrece todo tipo de válvulas.

Para ofrecer una mejor explicación de este método nos valdremos de un ejemplo.

4.2.1 Ejemplo

Se busca una válvula reductora de presión para 2-7 m³/h de metanol, densidad 790 kg/m³, presión previa 9 – 12 bares, presión posterior a regular 4 bares.

Conociendo las condiciones de servicio en las cuales va operar nuestra válvula, se procede a hacer los cálculos correspondientes para hallar los valores y así escoger la válvula adecuada. Pero antes de esto debemos conocer el fluido y sus propiedades.

Propiedades del metanol

Pc: presión crítica: 78.7 atm, 79.74277775 bar.

Pv: presión de vaporización: 13.02 kPa, 0.1303 bar.



SG: gravedad específica del fluido: 0.79.

Luego de conocer las propiedades del fluido, se procede a realizar los cálculos:

P1: presión de entrada de la válvula: 9 bares. dP: caída de presión en la válvula: 5 bar.

Q: caudal que atraviesa la válvula: 2-7 m3

h

ρ : densidad: 790 kg

m3

Calculamos con el caudal máximo y la diferencia de presión más pequeña.

Determinación del valor Kv

Para el dimensionado o antes de elegir una válvula, se calcula primeramente el valor Kv partiendo de los datos de servicio, con los cuales debe trabajar la válvula.

k v=Q√ ρ1000∗Δp

(1)

Kv Coeficiente de flujo m³/hQ Caudal volumétrico m³Densidad kg/m³p1 Presión de entrada (abs.) barp2 Presión de salida (abs.) barΔp Diferencia de presión (p1 - p2) bar

Reemplazando los valores en la ecuación:

k v=7√ 7901000∗5

= 2,78 m3

h

Al valor Kv determinado de los datos de servicio le dotamos de un suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor Kvs que la válvula a elegir debería tener como mínimo.

Valor Kvs ≥ 1,3 x valor

Kvs = 1,3 x 2,78 = 3,61 m³/h

Otros suplementos son necesarios si durante la relajación se produce evaporación, lo cual es el caso, en particular, cuando se trata de grandes gradientes de presión y mayores temperaturas. Entonces podemos calcular la Δp que ha de ser sustituida en la fórmula. No obstante, los valores

necesarios para ello a menudo son difíciles de adquirir. Por eso, para simplificar el propio cálculo del valor Kv recomendamos utilizar una diferencia de presión que no supere 0,6 veces la presión previa absoluta o sea Δp ≤ 0,6 x p1 [bar]

Determinación del diámetro nominal

Para mantener bajos las pérdidas de presión y los ruidos del servicio, no se deberán exceder determinadas velocidades de flujo en las tuberías, por ejemplo

Por el lado de succión de bombas centrífugas 2 m/seg.

Por el lado de succión de bombas de pistón 1 m/seg.

Por el lado de impulsión de la bomba 5 m/seg.

En las redes locales de agua potable 1 m/seg.

En tuberías a distancia de carburante y agua 3 m/seg.

En el caso de líquidos altamente viscosos 1 m/seg.

El diámetro de la tubería puede ser calculado del siguiente modo

d = 18,8 √Qw (2)

d: Diámetro de la tubería mmQ: Caudal volumétrico m³/hw: Velocidad de flujo m/seg.

Si en nuestro proceso del metanol se admite una velocidad de flujo máxima de 2 m/seg., el diámetro de la tubería necesario es

d = 18,8 √ 72 = 35,2 mm

Ya obtenido el diámetro se procede a elegir la tubería, la cual se selecciona de las tablas arrojando la tubería DN 40.

Si el diámetro nominal de la tubería está predeterminado, la velocidad de flujo puede ser calculada del siguiente modo

w = 354 Q

d2 (3)



Tendríamos entonces en la tubería DN 40 a un caudal de paso de 7 m³/h una velocidad de flujo de

w = 354 7

402 = 1.55 m/seg.

El diámetro nominal de la válvula reguladora puede estar uno hasta dos niveles por debajo del diámetro nominal de la tubería bajo determinadas condiciones de servicio, lo cual tiene validez, en particular, para las válvulas que operan con tubería de mando.

Elección De Una Válvula Adecuada

Luego de tener los valores necesarios para la elección se procede a elegir la válvula adecuada, esto nos lleva a las tablas de elección y hojas que conducirán a los datos técnicos de las válvulas MANKENBERG.

El valor Kvs de la válvula elegida debería corresponder al valor Kv calculado y provisto de los suplementos necesarios. La mayoría de las válvulas trabajan mejor dentro del margen de 10 hasta 70 % de su valor Kvs; la empresa MANKENBERG nos ofrece una gama de diferentes válvulas como por ejemplo las válvulas reductoras de presión DM 502, 505, 506, 510, 613, 652, 662, 664, 762 y 765 – trabajan también con caudales mínimos de una manera aún satisfactoria.

Se debe elegir el margen de ajuste de tal modo, que el valor nominal deseado esté en lo posible por el límite superior.

En base a los datos de servicio se había determinado que el valor Kvs debería ser por lo menos 3,61 m³/h. Según las tablas de elección de MANKENBERG en virtud de las propiedades de la válvula reductora de presión se decidió por la válvula: DM 652 DN 25, valor Kvs 6 m³/h, margen de ajuste 2-5 bares, casquete de muelle con conexión de tubería de fugas. Esta válvula está fabricada de forma estándar de materiales que son muy adecuados para metanol. Además se caracteriza por una alta calidad de regulación, reducido peso, buena calidad de superficie y un precio extremadamente favorable para válvulas de acero inoxidable. (Figura 20)

Figura 20. Válvula reductora de presión

Válvula reductora de presión DM 652

El DM 652 (Válvula reductora de presión) es controlado por un diafragma, válvula proporcional de control de resorte y equilibrado para solicitud universal. Este reductor de presión se fabrica a partir de ebullición profunda de acero inoxidable con resistencia a la corrosión. El cono de la válvula es equipado con un asiento blando.Las válvulas de diafragma ofrecen muchas combinaciones de materiales de cuerpo y materiales de diafragma elastomérico. El diseño de la válvula es resistente a la abrasión y no se obstruye. (Figura 21)

Figura 21. Válvula reductora de presión (diafragma)

Datos técnicos

Según los datos anteriormente hallados la empresa MANKENBERG nos ofrece lo siguiente:



Figura 22. Datos Técnicos

Valor de Kvs

El valor de Kvs hallado con las fórmulas es de 3,61 m³/h, según los métodos de seguridad se escogen el siguiente valor el cual seria 4 m³/h y se tiene hasta 18 m³/h, el cual cumple con el diámetro DN 40.

Figura 23. Valor de Kvs

Presión Nominal

La presión a regular es 5 (Δp=5) la cual también se encuentra entre los valores especificados de la válvula de 4-8 bar (PN 16-40/16):

Figura 24. Presión Nominal

Peso por Diámetro Nominal G o DN

Según lo que se ha venido trabajando es con DN 40; con esto ya podemos ubicar cuanto va a pesar la válvula, la cual tendrá un peso en el rango de 8-18.4 kg

Figura 25. Peso por diámetro nominal G o DN

Dimensiones

El diámetro de la válvula arrojo 35.2 mm; ya obtenido la presión (4-8 bares) también cumple con los valores:

Figura 26. Dimensiones

Materiales

La tabla de materiales nos proporciona una serie de datos como son la temperatura la cual soporta;



y el más importante el material del diafragma (EPDM opcional FPDM) y una protección de PTFE:

Figura 27. Materiales

Materiales FEPM Y EPDM

Para escoger el tipo de material también se tiene en cuenta las gráficas de FEPM y EPDM, estos materiales se escogen de acuerdo a la temperatura que va tener el fluido:

Figura 28. Materiales FEPM Y EPDM

5. CONCLUCIONES

Se reconocen dos métodos de selección de válvulas de control el método teórico y el método mediante la aplicación de software FIRSTVUE de Fisher.

En cualquier caso de selección de válvulas todas las condiciones enunciadas anteriormente, pues si no es así se corre el riesgo de que el control aplicado pierda eficiencia.

La selección o diseño de válvulas se simplifica usando el software porque cuando se selecciona la válvula por este método, el software automáticamente elije el diámetro y los materiales más convenientes de la válvula para las condiciones de servicio requeridas.

El método de selección o diseño de válvulas mediante ecuaciones sé cuándo el proveedor con el que se requiere trabajar no tiene disponible un software como el visto anteriormente.

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