El éxito de un buen cálculo y selección dependen más de unos buenos datos de proceso, bien definidos, que del cálculo propiamente dicho. Las fuentes para obtener estos datos pueden ser variar, según sea el caso.
• Dpto. de producción ó fabrica que es el utilizador de las válvulas. • Dpto. de procesos y/o procesistas de diseño de plantas.
• Ingeniería de planta
• Dpto. de instrumentación, en algunos casos.
Más aún, unos buenos datos serán decisivos para un buen cálculo pero no suficientes por sí solos. Pero tan importantes como los datos serán las condiciones de operación de la planta ó proceso, la forma de trabajar con la válvula en cada lazo de control del proceso.
Por ejemplo:
1. Cómo y cuantas veces se arranca la planta, cual es el régimen predominante, cómo y cuantas veces varía el régimen de operación, nivel de carga, etc.
2. Cuando el régimen “normal” de operación no se da, ¿que espera el operador de la válvula.?
3. Cuantas veces se le pide que cierre ó esté regulando a un caudal mínimo, etc. etc.
Por otra parte se deberá tener información sobre la experiencia en el manejo del fluido, corrosión, materiales recomendables, posibilidad de adherencias, cristalizaciones, etc.
Los pasos mínimos para la selección y especificación de válvulas de control son los siguientes: ¾ Obtener y definir sus condiciones de trabajo del proceso que debe controlar.
¾ Cálculo del tamaño y selección del trim, con las características que vamos a necesitar. En que válvula lo puede encontrar: tipo y tamaño
¾ Pensar en el actuador y todos sus accesorios. ¾ Recalcular-revisar la selección realizada ¾
Finalmente el equipo especificado deberá cumplir con una requisición de compra en cuanto al nivel de fabricación y controles de calidad requeridos, bien para este caso ó para el proyecto en general. Todo esto se resume en el cuadro siguiente:
Habrá que responder a todas las preguntas que se desprende del esquema anterior. Labor de investigación en la que el ingeniero de instrumentación debe ser exigente para poder hacer bien su trabajo.
- Preparación, presentación datos de trabajo
No es una cuestión menor la “forma” de preparar y presentar las condiciones de trabajo en una hoja de datos. Tanto es así que ISA estudió y definió una recomendación práctica (RP) a fin de tener una cierta metodología: ISA-RP. 75.21 Data Presentation for Control Valve.
Esta recomendación abarca además de la preparación de los datos de cálculo, el esquema inicial del proceso la configuración del piping y sugiere también un formato para la elaboración de los datos finales.
(Figuras cortesia de ISA RP-75.21)
DEFINIR DATOS DE PROCESO Obtención datos de trabajo. Hoja de datos para consulta
FIJAR CONDICIONES DE DISEÑO Obtener toda la información
complementaria posible
PRECALCULO y
primera selección válvula
CALCULO FINAL y verificación % carrera, velocidad, ruido..., etc
Selección ACTUADOR y Accesorios
Fijar el NIVEL DE SUMINISTRO, control calidad, etc.
Complemento a esta recomendación son las siguientes que deberian ser tenidas en cuenta a la hora de trabajar con válvulas de control:
ISA S-20 Specification Forms y su posterior versión ISA TR 20.00.01 Specification ISA S-75.05 Control Valve Terminología
- Evolución variables del proceso
Lo primero es ver como pueden evolucionar todas las variables, a lo largo del régimen de operación en que deba trabajar la válvula. Lo normal es que estas variables: P1, Tª, P2, Sp. Gravity, quizá la viscosidad, cambien a lo largo de la carga (caudal) tal y como muestra la figura
Hay tres variables que pueden ser fuente de problemas, por mal definidas ó vistas con criterio engañoso: • Caudal, • Presión máxima • Pérdida de carga. •
-
Régimen de caudalSe deben analizar cuantos regímenes de caudal deban ser controlados eficazmente por la válvula señalando qué magnitudes corresponden a las distintas condiciones de operación previsibles en la planta: puesta en marcha, mínimo técnico, mínimo de operación, normal, máximo y máximo de diseño si procede.
P.Marcha Mínimo Normal Máximo
10 m
3/h
35 m
3/h 67 m
3/h
92m
3/h
P entrada P salida Sp. Gr Temperatura
Caudal
90 dB 85 dB 90 dB ValoresEl riesgo aparecerá en el mínimo y el máximo.
- Muchas veces el caudal máximo se aumenta y confunde con el de diseño y dará lugar a válvulas sobredimensionadas que además de resultar innecesariamente mayores y más caras, dificultarán los ajustes en la instrumentación. Trabajando muy cerradas influirán negativamente en la estabilidad (variabilidad) del proceso. No es nada recomendable añadir en la especificación técnica que acompaña a la solicitud de compra criterios de sobredimensionamiento sobre los caudales dados. Debe bastar con los datos bien elaborados. En todo caso, sería mejor la aplicación de estos factores de sobredimensionamiento sobre los Cv´s calculados ya que hacerlo sólo sobre los caudales normal y máximo no tiene en cuenta la influencia de la perdida de carga para el cálculo que puede ser distinta y por tanto llevar a resultados erróneos. Una buena definición del caudal normal y máximo no precisa factores de sobredimensionamiento.
- Para el caudal mínimo deberemos comprobar la apertura de la válvula inicialmente seleccionada y ver si puede controlarlo bien valorando también el tiempo de permanencia en este régimen. Si fuera necesario se elegirá otro tamaño de trim ó de válvula aunque haya que cambiar de modelo y característica.
En este punto, la práctica demuestra que es más importante acertar bien con el tamaño para centrar el régimen de funcionamiento que condicionarse a una característica inherente, salvo que el lazo de control sea muy específico en este sentido.
La utilización de dos válvulas en rango partido será el recurso final, aunque necesario en algunos casos.
- Régimen de Presión
La presión máxima (en singular) es un dato que no debe confundirse con la presión de diseño para el rating. La presión máxima de proceso es la máxima de operación a la entrada de la válvula (P1). Como hemos visto antes, esta presión puede evolucionar según el caudal, por la influencia de la perdida de carga en equipos y líneas.
Por tanto habrá que ligar cada presión con su caudal correspondiente.
-
Pérdida de carga para el cálculo de la válvulaLa perdida de carga en válvula es el dato imprescindible para el cálculo. La misión de cualquier v. de control es regular un caudal para gobernar la variable controlada. Esta regulación del proceso es posible produciendo perdidas de carga variables en la válvula, pero para el cálculo hay que fijar uno ó varios ∆p´s posibles a fin de determinar, mediante las fórmulas correspondientes, los Cv´s requeridos de cálculo. Si P1 es constante y P2 también, la ∆p es sólo una, pero esta situación no es la más frecuente.
Evidentemente, a la válvula hay que reservarle una capacidad de interferir en el caudal, cosa que sólo puede hacerse produciendo ∆p. Además, esta ∆p disponible para la válvula, debería ser la mayor dentro del sistema. Cuanto mayor sea mejor para el control pues así la válvula tendrá más capacidad para dominar el proceso.
Un criterio universal, repetido en numerosos textos, reserva para la válvula una ∆p de cálculo que sea al menos 1/3 de la ∆p total del sistema.
Algunos autores matizan más; mostremos algunas referencias:
• “Mínimo 10% de la disponible para perdidas por fricción en líquidos.
• Líneas largas ó de gran pérdida de carga, mínimo 15% - 20% de la delta-p disponible, con un mínimo de 10 psi (0,7 bar-g) “
Así podríamos añadir otras muchas reglas ó recomendaciones que aparecen en la literatura técnica.
Pero lo mejor sería ponemos delante del diagrama de proceso y responder a las siguientes preguntas:
1.- Cual es la fuente de presión: depósito, bomba, nivel constante, etc.
2.- Que valor tendré a la entrada de la válvula (P1 ) según su situación, leído con un
manómetro antes de la válvula.
3.- Hasta donde debo llegar con el fluido y a que presión: equipo, línea, atmósfera, etc.
4.- Qué perdidas de carga debo vencer para llegar al destino. 5.- Por tanto, cual debería ser ( P2 ) en la válvula para conseguirlo.
La diferencia P1 - P2 es la ∆p disponible para cálculo. Este proceso hay que hacerlo para cada régimen de caudal.
Un caso de dificultad surge cuando debemos determinar la delta-p de la válvula y esta condiciona el dimensionamiento de otros equipos, por ejemplo una bomba.
En este caso, un experto proponía para la válvula un 5% de la ∆p total del sistema ó bien, como mínimo , 5 psig (0,35 bar-g) si la válvula es rotary-plug ó mariposa y 10psig. (0,70bar) si es tipo globo convencional. La ventaja de las válvulas de obturador rotativo excéntrico es que regulan muy bien con menos ∆p.
Otros autores, recomiendan igual ó mayor a 1/3 de la delta-p disponible en todo el sistema ó 15psi. g. (1,035 bar.), como mínimo.
Al decir “sistema” nos referimos al conjunto de elementos y líneas desde la fuente de presión hasta el punto de destino.
- Condiciones del flujo a la entrada de la válvula
Líquidos.- Serán siempre fluidos newtonianos homogéneos, en régimen laminar ó turbulento. El caudal normalmente se expresa en volumen: m3/h ó litros/h. en las condiciones del derrame. [Como la densidad de los líquidos cambia con la temperatura, algunas empresas expresan el caudal en volumen en condiciones a 15ºC y 1 atm.]
Puede haber vaporización en la válvula (Flash) ó a la salida. El procedimiento de cálculo ya contempla el fenómeno de flash. Se precisa tener el dato de la presión de vapor Pv, del líquido a la Tª de entrada con cierto rigor, tanto si es un líquido ó mezcla de varios. No influye tanto el Specific Gravity.
La viscosidad, en condiciones de derrame podrá ser: Absoluta ó dinámica en c.poise.
Cinemática en c.estokes ó SSU
El caso de líquidos cargados, por ejemplo con fibras de papel particulas, etc. se abordará después a efectos de cálculo según sea su consistencia (concentración de materia seca en dilución) y tipo de fibra.
En los gases.- Hay que definir con claridad las unidades de caudal, los más habituales son: Nm3/hora @ [0ºC - 1,013 bar-a]
Standard m3/hora @ [15,6 ºC – 1,013 bar-a] m3 /hora –@ [en condiciones de derrame]
Indicar peso molecular ó Specific Gravity, según demande la formula. Dar también el valor de Z.
La presencia de polvo ó subproductos que puedan adherirse a las paredes de las tuberías y válvula, se hará constar. Así mismo las posibilidades de condensar ó formar pequeñas gotas de condensado en contacto con paredes frías, su poder corrosivo, exigencias para definir tipo de estopada, etc.
Vapor de agua.- Puede ser saturado ó recalentado. En caso de vapor recalentado su Tª máxima afectará a la definición del rating, materiales cuerpo –tapa y estopada.
El caudal se expresa habitualmente en unidades de masa: T/h ó Kg/h. Régimen bifásico.- Se presentan dos casos:
Entrada de líquido + su propio vapor. Entrada de líquido + otro gas.
Se han de dar bien diferenciadas las propiedades termodinámicas del líquido: Sp. Gravity,-o densidad, P.de vapor, Presión y Tª critica, viscosidad,
y también las del gas: Peso molecular, factor-k, factor- de compresibilidad Z.
Fluidos criogénicos.- Se calculan como otro cualquiera. Solamente que su baja temperatura decidirá los materiales, ensayos no destructivos, pruebas criogénicas, etc
-
Hojas de Especificación preliminaresObtenidos los datos hay que pasarlos a una hoja de especificación que servirá de base para la consulta, cálculos y selección de válvula. El formato de esta hoja debe prepararse para dar toda la información necesaria. Debe tener espacios adecuados para esto, omitiendo otros aspectos que son irrelevantes.
En cuanto a las condiciones de proceso debe relacionar cada régimen de caudal con sus correspondientes presiones, temperaturas y variables físicas a introducir en las fórmulas del programa de cálculo. Una adecuada presentación de datos podría ser la siguiente. Obsérvese como la adecuada colocación de las presiones conduce a diferentes valores de la delta-p de cálculo y por tanto a diferentes valores de Cv.
Mín.
Normal Máx.
@ Q mín. @Q nor. @ Q máx. Caudal 86 115 196 Cauda 86 115 196P
1 20 24 31P1
31 24 20P
2 16 17 19P2
19 17 16∆p
4 7 12∆p
12 7 4Incorrecto Correcto
Deben señalarse también otras condiciones de proceso que ayuden a la comprensión de la aplicación: numero y forma de los arranque de planta, bajas cargas, agresividad del fluido, materiales recomendables, etc.
El resto de las casillas de una hoja de datos describen datos del cuerpo, trim, actuador y accesorios. A nivel de consulta no debe ser muy exhaustiva en detalles. Será, una vez seleccionada la válvula definitiva cuando convendrá tener todos los materiales y detalles constructivos que constituyan un completo “carné de identidad de cada válvula”, incluidos todos los accesorios. Pasado el tiempo esto será una herramienta imprescindible tanto para el técnico instrumentista como para mantenimiento.
Seguidamente se añadirán todos aquellos comentarios y observaciones que sean pertinentes para la mejor selección de la válvula en todos sus aspectos, por ejemplo los siguientes:
Fluidos abrasivos.- Si la abrasión es por partículas en su seno, se indicará la granulometría y su % en peso ó volumen. El cálculo básico es igual, usando el Sp. Gr. de la mezcla. Se valorará un cierto sobredimensionamiento, de acuerdo con el usuario, según tipo y tamaño de válvula. Se evitarán zonas de trabajo próximas al cierre a fin que no se produzca obstrucciones ó altas velocidades que incrementan el efecto abrasivo. Estudiar el montaje de la válvula, sentido de circulación en el cuerpo, diseño del trim y disposición de la tubería. En muchas ocasiones es mejor montar la válvula en tuberías verticales.
Cristalización y/o precipitación.- Si hay lugar a adherencias habrá de tenerse en cuenta par seleccionar cuerpo de paso recto, fáciles de limpiar, rotary- plug, sector de bola. Dimensionarlas para trabajar por encima del 50% de carrera. Se pueden poner inyecciones de líquidos de limpieza en el cuerpo-tapa.
Otros fluidos deben mantenerse por encima de una determinada temperatura. Esto se hace con camisas de vapor en el cuerpo ó calentamiento de tubería y cuerpo mediante termo resistencias eléctricas. En tal caso la estabilidad del Sp.Gr., Viscosidad y Pv dependerán de que esta temperatura se mantenga.
Las mismas precauciones deberán tomarse para fluidos viscosos. Confirmar si la viscosidad puede variar de forma que afecte al cálculo
- Modelos de hojas de datos para consulta. Datos mínimos
En fase de consulta solamente se rellenarán los datos necesarios para poder hacer el calculo del trim y cuerpo, así como los detalles mínimos que afectan al actuador y accesorios, pero no menos, dejando que cada ofertante cumplimente el resto con su mejor propuesta técnica. Ver cuadros siguientes.
En cualquier formato de hoja de datos se deben cumplimentar completamente las casillas correspondientes a las condiciones de diseño y de trabajo. Si fuere necesario se añadirán más columnas para anotar aquellas otras condiciones de trabajo que sea interesante analizar ó bien a pie de página. Esto permitirá ver los porcentajes de apertura para cada caso así como la respuesta de la válvula seleccionada para todos los casos considerados.
En cuanto al cuerpo, como mínimo se indicarán el tipo de conexiones y algún otro dato de obligado cumplimiento. El resto lo cumplimentará el fabricante.
Del actuador es necesario señalar el tipo y posición por fallo de aire así como la delta-p de cierre que condicionará la selección del tamaño para una estanqueidad requerida.
Del posicionador se he de indicar el tipo, y características mínimas. Este equipo permite una amplia gama de prestaciones por lo que, debe ser el comprador quien defina el alcance de lo que quiere a fin de obtener propuestas homogeneas.
Finalmente queda por definir los accesorios necesarios para cada válvula.