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Simulaciones hidráulicas: Autoridad de Válvulas de Control

La simulación de circuitos hidráulicas es una herramienta utilizada en los proyectos de JGR Consultoría que permite diseñar con exactitud instalaciones con elevadas exigencias de precisión.

Se puede aplicar tanto a redes de fluidos compresibles (líquidos), como no compresibles (gases) en casos como: refrigeración y calefacción industrial y de confort, fluidos de proceso, aire comprimido, fluido térmico, vapor y condensados, etc

Un factor que requiere un correcto dimensionado es la Autoridad de una válvula. Éste es un término usado para describir la base sobre la cual se selecciona una válvula de control. La calidad en el diseño de este tipo de elementos es determinante y la definición de su autoridad es un factor muy importante:

  • Si la válvula de control está sobredimensionada, se reducirá el rendimiento, la vida útil y la fiabilidad de la válvula y otros elementos del equipo.
  • Si nos quedamos cortos, podemos tener la autoridad, pero podemos no alcanzar la capacidad de diseño (caudal). Además, los diseños deben considerar optimización energética, pero esto a menudo conduce a la autoridad deficiente.

A continuación describiremos como se calcula a partir de una simulación hidráulica de ejemplo.

La Autoridad de la Válvula (N) se define generalmente como la relación de la caída de presión a través de la válvula totalmente abierta en comparación con la caída de presión a lo largo de todo el circuito (incluida la válvula) en condiciones de flujo de diseño. La Autoridad de Válvulas se expresa utilizando la siguiente ecuación:

N =ΔPvalve /ΔPtotal

donde:

N            es la autoridad de la válvula.

ΔPvalve    es la pérdida de carga a través de la válvula en posición totalmente abierta.

ΔPtotal     es la pérdida de carga a través de todo el circuito.

Para desarrollar un buen control, se recomienda que se elija una válvula de control para obtener una autoridad de válvula de 0,5 o más. Una autoridad por debajo de 0,25 da un control inestable; 0,25 – 0,5 da un buen control mientras que 0,5 -1,0 da un control excelente. También debe considerarse que cuanto mayor sea la autoridad, mayor será el desperdicio de energía.

Consideremos un ejemplo de circuito de agua simple en el que la presión de la bomba disponible es de 13 kPa en condiciones de flujo máximo, es decir, la válvula está en la posición totalmente abierta. Este 13 kPa representa la resistencia friccional total del circuito que incluye la válvula de control que tiene una caída de presión de 6 kPa en la posición totalmente abierta.

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Teniendo en cuenta la caída de presión a través de la válvula de control, la caída de presión en el resto del circuito será de 13 – 6 = 7 kPa. Por lo tanto, la autoridad de válvula puede calcularse como sigue:

N = 6 / 6 + 7

N = 0.46

Vamos a considerar un ejemplo de diseño para explorar el fenómeno de la autoridad de la válvula un poco más.

Planteamiento del problema:

Se pretende modelar un tramo de tubería aguas abajo de un intercambiador de calor que transporta agua dirigida a una columna presurizada. La presión del sistema se controlará mediante una válvula de control de reducción de presión con una autoridad de válvula de diseño de aproximadamente 0,5. El ingeniero también debe asegurarse de que las tuberías del sistema deben dimensionarse de tal manera que la velocidad del agua que sale del sistema esté entre 1 y 1,5 m / s.

Datos de diseño:

Presión de la superficie del recipiente: 5 bar a.

Elevación en la base del tanque: 3 m.

Altura de salida: 31.27 m.

Presión en salida: 1,8 bar a.

Caudal de diseño en la salida del sistema: 6.000 m3 / h.

Solución:

Desarrollaremos este esquema de diseño de manera que la caída de presión a través de la válvula de control se minimiza, siendo coherente con un buen control. Un buen control, por supuesto, significa que la autoridad de la válvula de diseño debe ser de alrededor de 0,5 y en todas las circunstancias, debe ser superior a 0,2.

Sabemos que la presión superficial del recipiente es de 5 bar a y la presión de salida del diseño es de 1,8 bar a. La pérdida de presión total del sistema entre la entrada y la salida del circuito se puede establecer como 3,2 bar. Esto significa que, basándose en una autoridad de válvulas de diseño de 0,5, podemos estimar la pérdida de presión de la válvula a un caudal de diseño de 6.000 m3 / h para que sea alrededor de 1,6 bar (3,2 bar x 0,5 = 1,6 bar). Estos datos pueden utilizarse como base de un diseño preliminar como se describe en el paso 1.

Paso 1

Se ha desarrollado un diseño preliminar del sistema basado en el caudal de diseño proporcionado. En primer lugar, se puede utilizar un Coeficiente de Caudal (componente Kv) para representar una válvula reductora de presión como en esta etapa, simplemente queremos definir una caída de presión fija de 1,6 bar a través del componente. La figura 2 proporciona una ilustración del sistema.

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Figura 2: Circuito – Válvula de control representada por un Coeficiente de Caudal (Kv).

Se pueden aplicar varios diámetros de tubería a este sistema en un intento de conseguir una velocidad de flujo que esté lo más cerca posible de la velocidad de diseño de 1 a 1,5 m / s. Este caso de diseño preliminar se ha resuelto con tuberías de DN40 que dan una velocidad inicial de 1,3 m / s.

Paso 2

Ahora puede desarrollarse más profundamente el diseño del esquema del paso 1. El componente Kv se puede cambiar a una VRP (válvula reductora de presión) y esta válvula se puede dimensionar automáticamente. Al dimensionar la válvula, la presión de salida en el sistema puede ajustarse a 1,8 bar a (basándose en los datos de diseño proporcionados). La presión de consigna de diseño de la VRP se puede ajustar entonces hasta que se alcanza el caudal de diseño de 6.000 m3 / h en el sistema.

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Figura 4: Circuito – Válvula Reductora de Presión

Paso 3

En este punto, vale la pena considerar diferentes diámetros de tubería aguas abajo de la VRP. La presión de consigna de la VRP también se puede ajustar hasta obtener el caudal de diseño requerido para cada diámetro de tubería considerado. Los resultados calculados se describen en la Tabla 1.

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Tabla 1: Autoridad de Válvula para diferentes tamaños de tubería y puntos de ajuste de la VRP.

Podemos ver que los tamaños de tubería de 50 – 63 mm producen una autoridad de válvula suficientemente alta (N = 0.525 & 0.56).

La Figura 5 proporciona una ilustración del sistema en esta etapa de desarrollo.

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Figura 5: Circuito – Tamaños de tubería optimizados.

Hasta este punto, los cálculos han producido la válvula Cv junto con las propiedades hidráulicas de la misma. Estos datos pueden proporcionarse al proveedor de válvulas para que puedan hacer la selección final de válvulas para su gama de equipos.

Paso 4

Finalmente, en este paso, el reductor de presión de tamaño automático puede cambiarse para la válvula de control del fabricante real (Figura 6). En este último caso, la pérdida de presión a través de la válvula se calcula que es de 1,5 bar, lo que produce una autoridad de válvula de control de 0,47 (1,5 / 3,2 = 0,47).

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Figura 6: Circuito – Válvula de Control de fabricante.

Este ejemplo nos ayuda a considerar la aplicación de la Autoridad de la válvula en un diseño de sistema real, teniendo en cuenta otros aspectos del sistema, tales como las propiedades hidráulicas del fluido, válvula Cv, caudales de diseño, presiones, etc.

En JGR Consultoría somos especialistas en Ingeniería de instalaciones y en diseño de redes hidráulicas. Usamos herramientas de cálculo de alto valor añadido como Fluid Flow, tal como se describe en el presente artículo, que permiten el diseño y dimensionado de nuevos proyectos, así como el análisis de instalaciones existentes y de sus posibles deficiencias de caudal y presión.

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