Ecuaciones para el dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor

Al hablar de las ecuaciones para el dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor es preciso indicar que estas válvulas de control no son tan eficientes como las boquillas en cambiar el calor en energía cinética.

La trayectoria que toma el vapor a través de la entrada de la válvula, la garganta y en la salida de la válvula es relativamente tortuosa. De hecho, en una válvula de control, se pierde mucho más energía en la fricción que en una boquilla, y debido a que:

• Es improbable que el área de salida del cuerpo de válvula coincida con la condición de presión aguas abajo.
• La relación entre la posición del obturador y el asiento está cambiando continuamente. Siempre existe la posibilidad de que haya turbulencias en la salida de la válvula.

Parece ser que las válvulas de control de diferentes tipos pueden parecer que alcancen condiciones de caudal crítico con caídas de presión distintas a las citadas anteriormente para las boquillas. El paso del flujo restringido a través del asiento de una válvula y en el lado aguas abajo de la garganta pueden significar que los caudales máximos solo se pueden alcanzar con caídas de presión algo mayores.

Una válvula de esfera o válvula de mariposa puede tener una forma tal que se logre algo de recuperación de presión aguas abajo de la garganta, de modo que se alcancen las condiciones de caudal máximo con una caída de presión global bastante inferior a la esperada.

Se pueden usar complicadas ecuaciones para el dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor para tomar estos y otros criterios en consideración, además existe más de una norma que incorpora dichas ecuaciones.

Una de estas normas es IEC 60534. Desgraciadamente, los cálculos son tan complicados, que solo los pueden utilizar mediante un programa informático. El cálculo manual sería tedioso y lento. Sin embargo, al dimensionar una válvula de control para sistemas de vapor en una aplicación de proceso crítico, dicho software es indispensable.

Por ejemplo, la IEC 60534 está diseñada para calcular otros síntomas como los niveles de ruido generados por las válvulas de control que están sometidas a caídas de presión altas. Los fabricantes de válvulas de control suelen tener un programa informático de selección y dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor que complementa su propia gama de válvulas.

Sin embargo, una simple ecuación de dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor, como se muestra en la siguiente ecuación vapor saturado, es perfectamente adecuada para la gran mayoría de las aplicaciones de vapor con válvulas de globo:

Además, si consideramos una presión crítica que se produce al 58% de la presión absoluta aguas arriba, es improbable que una válvula globo esté subdimensionada. Por simplicidad, en el resto de estos artículos sobre dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor, asumiremos que la presión crítica en sistemas de vapor ocurre al 58% de la presión absoluta aguas arriba.

Por ejemplo, si la presión aguas arriba de una válvula de control es de 10 bar a, el caudal máximo a través de la válvula se produce cuando la presión aguas abajo es:

10 bar a x 58% = 5,8 bar a

De igual manera, la caída de presión crítica es del 42% de la presión aguas arriba, es decir, un ratio de caída de presión de 0,42. Como se dijo en el párrafo anterior, una vez que se alcanza esta presión aguas abajo, cualquier aumento adicional en la caída de presión no provocará ningún aumento del caudal másico.

Este efecto se puede observar en la siguiente gráfica, que nos demuestra cómo, en el caso de una válvula de globo, el caudal aumenta con la caída de la presión aguas abajo hasta que se logra una caída de presión crítica.

Dimensionar una válvula de control para intercambiadores de calor con vapor

Para dimensionar una válvula de control para intercambiadores de calor con vapor, hay que buscar un equilibrio entre:

1. Una menor caída de presión que hará que el tamaño (y tal vez el coste) del intercambiador de calor sea menor.
2. Una caída de presión mayor que permitirá a la válvula aplicar un control efectivo y preciso sobre la presión y el caudal durante la mayor parte de su carrera.

Si la caída de presión es inferior al 10% a plena carga, pueden producirse tres problemas:

• Dependiendo de los ajustes del controlador y de la temperatura del secundario y de los desfases temporales del sistema, pueden ocurrir oscilaciones (hunting) de la temperatura alrededor del valor de consigna debido a que la válvula está efectivamente sobredimensionada. Pequeños cambios en la carrera causarán grandes cambios en el caudal, especialmente en el caso de una válvula con una característica lineal.
• Las cargas de trabajo son a menudo bastante menores que la carga completa y la válvula puede operar durante períodos muy largos con el obturador de la válvula muy cerca del asiento. Esto crea un riesgo de ‘wiredrawing’ (erosión causada por gotas de agua a alta velocidad que se exprimen a través de un orificio estrecho). Este tipo de erosión reducirá la vida útil de la válvula.
• El sistema no controlará bien con carga térmicas bajas, reduciendo efectivamente la capacidad de ‘rangeabilidad’ de la válvula.

Terminología de las ecuaciones para el dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor

Otra posibilidad es usar las tablas de dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor o de coeficiente de caudal Kvs. Normalmente, el valor cuando la válvula está totalmente abierta se indicará usando el término Kvs, por tanto:

Kvr = Valor real requerido para una aplicación

Kvs = Capacidad indicada para una válvula cuando está totalmente abierta

Los fabricantes proporcionan los valores máximos de Kvs para su gama de válvulas. Por lo tanto, el valor de Kv no sólo se usa para dimensionar válvulas, sino también como un medio para comparar la capacidad de los diferentes tipos y marcas de válvulas. La comparación de dos válvulas de DN15 provenientes de diferentes suministradores muestra que la válvula ‘A’ tiene un Kvs de 10 y la válvula ‘B’ un Kvs de 8. La válvula ‘A’ proporcionará un caudal más alto para la misma caída de presión.

Para más información el dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor, te invitamos a conocer cómo es el comportamiento del vapor en una aplicación de transferencia de calor y a suscribirte al Newsletter de Vapor para La Industria, un recurso que te servirá para recibir más contenido sobre las nuevas tendencias del vapor industrial.