En este artículo veremos el flujo de vapor saturado a través de una válvula de control en sistemas de vapor, como parte del tema central acerca del dimensionado de válvulas de control para sistemas de vapor.
Un fabricante de intercambiadores de calor diseñará un equipo para que proporcione una determinada potencia calorífica. Para conseguir esta potencia, se requerirá una determinada temperatura del vapor saturado en la superficie de transferencia de calor, como el interior del serpentín de un intercambiador de calor de tubos.
Con vapor saturado, la temperatura y la presión están estrictamente relacionadas, por lo tanto, al controlar la presión del vapor se regula fácilmente la temperatura. Consideremos una aplicación en la que se suministra vapor a 10 bar r a una válvula de control en sistemas de vapor, y un determinado caudal másico de vapor pasa a través de la válvula a un intercambiador de calor. La válvula se mantiene completamente abierta, tal y como se muestra en la siguiente imagen:
- Si se instala una válvula de DN50 y la válvula está totalmente abierta, la caída de presión es relativamente pequeña a través de la válvula y el vapor suministrado al intercambiador de calor está a una presión y temperatura bastante altas. Debido a esto, el serpentín necesario para alcanzar la carga de diseño será relativamente pequeño.
- Consideremos, ahora, una válvula de DN40 totalmente abierta en la línea de suministro de vapor por la cual pasa el mismo caudal que en la válvula de DN50. Como el orificio de la válvula es menor, la caída de presión a través de la válvula debe ser mayor, dando lugar a una menor presión y temperatura en el intercambiador de calor. Debido a esto, el área de transferencia de calor requerida para lograr la misma carga térmica debe aumentarse. En otras palabras, se necesitará un serpentín o un intercambiador de calor más grande.
- Si reducimos más el tamaño de la válvula, se requerirá una mayor caída de presión a través de la válvula de control para el mismo caudal másico y necesitaremos incrementar el área de superficie de transferencia de calor para mantener la misma potencia calorífica.
Cualquiera que sea el tamaño de la válvula de control en sistemas de vapor, si se reduce la demanda en el proceso, la válvula deberá modular desde la posición de totalmente abierta hacia la posición de cerrada. Sin embargo, la primera parte de la carrera sólo tiene un pequeño efecto en la regulación, un cambio porcentual en la carrera de la válvula produce un cambio porcentual menor en el caudal.
Generalmente, un cambio de un 10% en la carrera podría producir tan solo un cambio de un 5% en el caudal. Aumentando la carrera, cuando el obturador de la válvula se aproxima al asiento, este efecto se invierte de manera que un cambio del 5% en la carrera podría producir un cambio del 10% en el caudal y se consigue una mejor regulación.
La parte inicial del recorrido de la válvula de control en sistemas de vapor, en la cual se observa este efecto de control reducido, es mayor al seleccionar válvulas de control para sistemas de vapor más grandes, acompañadas de una pequeña caída de presión a plena carga. Cuando la válvula de control elegida es lo suficientemente pequeña como para requerir una caída de presión crítica en sistemas de vapor a plena carga, el efecto desaparece.
Además, si se seleccionan válvulas de control grandes, el mayor tamaño del orificio de la válvula significa que se logra un cambio en el caudal con un cambio porcentual menor en la carrera de lo que sería necesario con una válvula de control más pequeña. A menudo, esto puede hacer que el control sea inestable, aumentando la posibilidad de que fluctúe constantemente (“hunting”), especialmente con cargas reducidas.
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Cómo es el comportamiento del vapor en una aplicación de transferencia de calor
