Antes del dimensionado de una válvula de control en sistemas de vapor se requiere una información mínima para determinar el tamaño correcto de la válvula:
- Se debe conocer la presión del vapor de suministro.
- Se debe conocer la presión del vapor en el intercambiador de calor para satisfacer la máxima carga térmica.
La diferencia entre estos dos criterios define la presión diferencial a través de una válvula en su condición de carga completa.
- Se debe conocer la carga térmica del equipo, junto con la entalpía de evaporación (hfg) a la presión de trabajo en el intercambiador de calor. Estos factores son necesarios para determinar el caudal másico del vapor.
Ejemplo del dimensionado de una válvula de control en sistemas de vapor
De manera gráfica, veamos el siguiente ejemplo: Se requiere una válvula de control para la aplicación mostrada en la siguiente imagen:
El fabricante de intercambiadores de calor de tubos especifica que se requiere una presión de vapor de 5 bar absolutos en el haz de tubos para satisfacer una demanda de proceso de 500 kW. Se dispone de vapor húmedo, con un título de 0,96 y 10 bar a, aguas arriba de la válvula de control. La entalpía de evaporación (hfg) a 5 bar a es 2108,23 kJ/kg.
Dimensionado de una válvula de control en sistemas de vapor: Determinar el caudal de vapor
En primer lugar, hay que determinar el estado del vapor para la condición aguas abajo de 5 bar a. Al introducir el vapor húmedo a 10 bar a y con un título de 0,96 en las tablas de vapor de la web de Spirax Sarco, se puede observar que el calor total (hg) contenido en el vapor húmedo a 10 bar es de 2697,15 kJ/kg.
La presión de diseño del intercambiador de calor es de 5 bar a y el calor total en vapor saturado seco a esta presión es de 2748,65 kJ/kg (de las tablas de vapor). El calor total en el vapor de 10 bar (debido a su ‘humedad’), es menor que el calor total en vapor saturado a 5 bar, por lo tanto el vapor de baja presión no contendrá suficiente calor para estar totalmente seco.
El título del vapor a presión más baja es el cociente de las dos cifras de calor total.
Título del vapor a 5 bar a = 2697,15 / 2748,65 = 0,98
La energía disponible para la transferencia de calor a 5 bar a es de 0,98 x hfg a 5 bar a
= 0,98 x 2108,23 kJ/kg
= 2066 kJ/kg
Ahora, se puede determinar el caudal de vapor a partir de la siguiente ecuación, donde hfg es la entalpía de evaporación disponible después de considerar el vapor húmedo:
Dimensionado de una válvula de control en sistemas de vapor: Determinar el ratio de caída de presión (x) con carga total
Dimensionado de una válvula de control en sistemas de vapor: Determinar los Kvr requeridos
El ratio de caída de presión a plena carga es mayor que 0,42, por lo que se aplican condiciones críticas y se puede usar la siguiente ecuación para determinar el Kvr requerido:
Para el dimensionado de una válvula de control, inicialmente se seleccionó una DN25 con un Kvs de 10. Ahora, se puede realizar un cálculo para determinar si el ruido puede ser un problema con una válvula de este tamaño por la que pasa vapor húmedo por la salida de la válvula. La velocidad del vapor en la salida de la válvula:
Como esta velocidad de salida es superior a 40 m/s, la válvula de control DN25 podría:
- Crear un ruido inaceptable.
- Causar una erosión en la salida de la válvula, tal y como se explica en los factores a tener en cuenta al dimensionar válvulas de control en sistemas de vapor.
Por lo tanto, la válvula de control DN25 no es la apropiada para esta aplicación en la que pasa vapor húmedo a través de la salida de la válvula. Una solución a este problema es proceder a la instalación de válvulas de control en sistemas de vapor con un cuerpo más grande con los mismos Kvs de 10 para reducir la velocidad de salida del vapor húmedo.
Se puede usar la siguiente tabla para determinar el tamaño de la válvula de control con un área de saluda mayor a 0,00222 m2.
En esta tabla se puede ver que el tamaño de válvula más pequeño requerido para satisfacer la velocidad máxima de salida de 40 m/s para el vapor húmedo es una válvula de DN65, con un área de salida de 0,00332 m2.
Por lo tanto, debido a que pasa vapor húmedo a través de la salida de la válvula, el tamaño de la válvula de control aumentaría, en este caso, de DN25 (1”) a DN65 (21⁄2”).
Una mejor solución podría ser instalar un separador de gotas antes de la válvula de control. Esto permitirá utilizar una válvula de control más pequeña, de DN25, y es preferible porque:
- Proporcionará una mejor regulación ya que es más apropiada para manejar los cambios en la carga de vapor.
- Asegurará que pase vapor seco a través de la válvula de control, reduciendo así la propensión a la erosión en el asiento de la válvula y en la salida de la válvula.
- El coste de una válvula más pequeña y su actuador más el separador será probablemente el mismo que una válvula más grande con un actuador más grande.
Para conocer las ecuaciones para el dimensionado de válvulas de control y saber cómo es el comportamiento del vapor en una aplicación de transferencia de calor, te invitamos 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.
Ecuaciones para el dimensionado de válvulas de control en sistemas de vapor
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