Factores a tener en cuenta al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor

El ruido puede ser un factor importante a tener en cuenta al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor, no solo porque crea niveles de sonido amplificados, sino porque la vibración asociada puede dañar los internos de la válvula.

Existen internos especiales para reducción de ruido, pero a veces, una solución menos costosa es montar un cuerpo de válvula mayor que el requerido. Para calcular el ruido emitido por las válvulas de control es necesario realizar ecuaciones complicadas y éstas son difíciles de hacer manualmente.

Se considera que, normalmente, una válvula de control producirá un ruido inaceptable si la velocidad del vapor saturado seco en la salida de la válvula de control es superior a 0,3 Mach. La velocidad del sonido en el vapor dependerá de la temperatura del vapor y la calidad del vapor, pero puede calcularse a partir de la ecuación siguiente ecuación, si se conocen las condiciones (Mach 1 = velocidad del sonido).Un método menos preciso pero útil para calcular si el ruido será un problema es calculando la velocidad en el orificio de salida de la válvula. En términos sencillos y para vapor seco saturado, si es superior a 150 m/s, existe la posibilidad de que el cuerpo de la válvula sea demasiado pequeño (aunque el tamaño de la válvula se ajuste a la capacidad requerida).

Velocidades más altas también causan erosión (otros de los factores a tener en cuenta al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor) en el cuerpo de la válvula aguas abajo, especialmente si el vapor está húmedo en este punto. Se recomienda que la velocidad máxima de salida del vapor húmedo sea de 40 m/s en el puerto de salida.

Otro resultado de la caída de presión de vapor a través de una válvula de control es que seque o sobrecaliente el vapor, dependiendo de su condición cuando entra en la válvula. Los grandes grados de sobrecalentamiento suelen ser indeseables en los procesos de calentamiento, por lo que conviene poder determinar si esto ocurrirá.

Sin embargo, se puede permitir que las velocidades de vapor sobrecalentado (y gas seco) alcancen 0,5 Mach en el orificio de salida; mientras que, en el otro extremo de la escala, los líquidos pueden estar restringidos a una velocidad de salida máxima de 10 m/s. Veamos, con un ejemplo, una situación real sobre estos factores a tener en cuenta al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor:

 

Velocidad de salida de la válvula y el efecto de secado/sobrecalentamiento

Se suministra una válvula de control con vapor seco saturado proveniente de un separador de gotas a 12 bar r y se usa para bajar la presión del vapor a 4 bar r a plena carga. El caudal a carga total es de 1300 kg/h que requiere un Kvr de 8,3.

Inicialmente, se contempla una válvula de DN25 (1”) que tiene un Kvs de 10 y un área de salida de la válvula de 0,00049 m2. ¿Cuál sería la velocidad del vapor en la salida de la válvula? Determinar el estado del vapor en la salida de la válvula a 4 bar r.

El grado de secado y recalentamiento se puede calcular a partir del siguiente procedimiento: A partir de tablas de vapor, el calor total (hg) en el vapor seco saturado aguas arriba a 12 bar r = 2 787 kJ/kg.

Como el vapor de suministro está en estado saturado en seco, el vapor se sobrecalentará seguramente después de pasar a través de la válvula. Por lo tanto, se debe utilizar las tablas de vapor sobrecalentado para cuantificar sus propiedades.

Utilizando las tablas de vapor de la web de Spirax Sarco, se puede calcular la condición del vapor aguas abajo a 4 bar r seleccionando vapor sobrecalentado e introduciendo una presión de ‘4 bar r’ y un calor total (h) de 2787 kJ/kg.

Al introducir estos valores, las tablas de vapor darán un resultado de vapor sobrecalentado a 4 bar r con 16,9 grados de sobrecalentamiento (442 K). El volumen específico de vapor sobrecalentado, 4 bar r, 442 K es 0,391 8 m3/kg (de las tablas de vapor).Es necesario ver si esta velocidad es inferior a 0,5 Mach, el límite que se ha dado en la velocidad de salida de una válvula para vapor sobrecalentado. La velocidad del sonido (Mach 1) se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:Como el vapor está sobrecalentado en la salida de la válvula, se utiliza el criterio de 0,5 Mach para determinar si la válvula tendrá ruido.

0,5 x 515 = 257,5 m/s

Como la velocidad esperada es de 289 m/s y por encima del límite de 257,5 m/s, una válvula de DN25 no sería adecuada para esta aplicación si el ruido pudiese representar un problema. Consideremos el siguiente tamaño de válvula, una de DN32 (pero con unos internos de 25 mm). El área en la salida de esta válvula sería de 0,0008 m2, tal y como se muestra en el gráfico del flujo de vapor saturado a través de una válvula de control en sistemas de vapor.

La válvula con cuerpo de DN32 será adecuada porque la velocidad de salida es inferior a los 0,5 Mach permitidos para vapor sobrecalentado.

Se puede usar este mismo procedimiento para determinar las condiciones del vapor aguas abajo para otras condiciones aguas arriba. Por ejemplo, si se sabe que el vapor aguas arriba es húmedo, la condición del vapor aguas abajo puede ser húmedo, saturado seco o sobrecalentado, dependiendo de la caída de presión. La velocidad de salida admisible dependerá de la condición del vapor aguas abajo como se ha descrito anteriormente en este artículo.

 

Erosión: Otro problema al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor

Otro problema a tener en cuenta al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor es la posibilidad de erosión en el cuerpo de la válvula causada por una velocidad excesiva en la salida de la válvula. Como se muestra en el ejemplo mostrado en el artículo flujo de vapor saturado a través de una válvula de control en sistemas de vapor, debido al efecto de secado y sobrecalentamiento por la caída de presión de 12 bar r a 4 bar r, el vapor está en un estado seco gaseoso que no contiene humedad en absoluto, por tanto la erosión no debe ser un problema.

De forma simple, si se puede garantizar que el vapor que sale de una válvula de control esté sobrecalentado, entonces, 250 m/s es un límite apropiado para tener de velocidad en la salida.

A veces, cuando se suministra vapor saturado a una válvula de control, arrastrará una cierta cantidad de agua y el vapor puede ser, por ejemplo, un 97% o 98% seco. Si acaba de pasar a través de un separador de gotas correctamente diseñado estará cerca del 100% seco, tal y como se muestra en dicho ejemplo.

Con algo más que una pequeña caída de presión y vapor húmedo, el vapor probablemente se secará hasta el punto de saturación o incluso estará ligeramente sobrecalentado. Si el vapor de suministro está seco y/o la válvula se encuentra frente a una caída de presión bastante grande, el vapor se sobrecalentará más.

Para más información sobre los factores a tener en cuenta al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor, te invitamos a conocer cuándo ocurre la presión crítica en sistemas de vapor 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.