Valvul

Versión libre Sintética del Artículo REALISTIC CONTROL-VALVE PRESSURE DROPS J.R. (Bob) Connell , Northem Albeta Institute of Technology CHEMICAL ENGINEERING SEPTEMBER, 28 1987 Volver Se plantea un método para determinar una caída de presión racionalmente calculada para las válvulas de control de procesos. Nomenclatura

B F Pe Ps ∆ Pv Qd Qm

Caída de Presión base en la Válvula, corresponde a la válvula en posición totalmente abierta . Caída de Presión por Fricción en la condición de Caudal de Diseño Presión de salida del Sistema considerado (Presión Final de la Cañería que contiene la Válvula.) Presión de entrada del Sistema considerado (Presión inicial de la Cañería que contiene la Válvula.). Caída de Presión en la Válvula. Caudal de Diseño. Caudal Máximo Estimado.

Se pone como ejemplo la instalación de la Figura 1 Vemos en la misma Bomba Centrífuga (Charge Pump). P1 FTC Transmisor – Controlador de Caudal. FV Válvula Controladora de Caudal. FV Válvula Controladora de Caudal. PH Pre Calentadores (Intercambiadores de Calor con otras Corrientes de la Planta). FH Calentador Con Quemadores. FRC Torre , de extracción de Fracciones. ∆PH Diferencia de presiones debida a la altura . Presión de salida del Sistema considerado (Presión Final de la Cañería que contiene Pe la Válvula.) Presión de entrada del Sistema considerado (Presión inicial de la Cañería que Ps contiene la Válvula a la salida de la Bomba.). En la figura se ponen perdidas de carga en psi como ejemplo, analizando el caso vemos que el único elemento que puede disminuir la pérdida de carga en caso que el control lo exija para que circule mas caudal es la válvula. El autor ve la pérdida que provoca la válvula como una reserva para el caso en que dentro del funcionamiento dinámico de la planta sea necesario que circule mas caudal. Cuanto debe ser esa reserva?

Depende del caudal máximo que se prevea que circulará para el mantenimiento del producto en las condiciones de calidad exigidas o bien en la dinámica del lazo cuanto será el sobre impulso si lo hay. La ecuación de balance de Pérdidas de Presión frente a la suministrada por la bomba es:

Ps = Pe + F + ∆ Pv + ∆PH

Ec. 01

∆ Pv = ( Ps - Pe ) - F - ∆PH

Ec. 02

La caída de presión en la válvula depende de la instalación (a través de ∆PH) , del caudal de diseño ( a través de F) , de la bomba y presiones aguas arriba (a través de Ps) , de las condiciones del proceso ( a través de Pe ). Si nosotros agrandamos la válvula, la misma tendrá que cerrar más hasta alcanzar esta caída de presión, en esas condiciones trabajará en zonas en que las características no son apropiadas para el control. En resumidas cuentas, la caída de presión no depende de la válvula , si fijamos las otras condiciones. En general , la caída asignada en definitiva a la válvula deberá tener en cuenta los siguientes items: 1

Cuanto será la caída de presión que la válvula deberá liberar si hubiese un aumento en el Caudal desde el de diseño hasta el estimado máximo 2 Que previsión deberá hacerse para tener un cuenta un posible descenso de Ps - Pe cuando hay en el sistema un aumento del caudal. 3 Aún en su posición totalmente abierta la válvula provocará una caída de presión , fundamentalmente dependiente del tipo de válvula eg. macho, jaula , bola , mariposa etc. Veamos en detalle cada uno de esos puntos

1.- Previsión para tener en cuenta el aumento de caída de presión debida al aumento de caudal desde Qd hasta Qm Para tener en cuenta este aspecto se necesita conocer la relación Qm / Qd .

Esta relación se puede sacar de dos maneras La preferible es a partir del cálculo del proceso en condiciones de máximo y de diseño. Si lo primero no fuera posible se pueden estimar variaciones alrededor del caudal de diseño en oscilaciones de la variable controlada razonables dentro del control de la planta. La caída de presión cuando circula Qd es F 2 La caída de presión cuando circula Qm es F*(Qm / Qd ) En general , como estos cálculos se realizan sin tener el diseño final de las cañerías, la caída F es una buena aproximación de la realidad pero se le puede aplicar a la misma un coeficiente de incertidumbre de un 10% por lo que resulta que el la caída de presión que deberá disponer la Válvula para absorber este cambio de caudal será de:

(∆ Pv )1 = 1.1 [(Qm / Qd )2 - 1]* F

2.- Previsión para tener en cuenta la posible disminución de la caída total de presión entre la salida de la bomba y la entrada al fraccionador o consumo. En términos generales como se admite que las condiciones de proceso tendrán poca variabilidad se admite que ( Ps - Pe ) podrá variar en un 10% , de lo contrario se deben hacer previsiones mas generosas. Por ejemplo si estamos entre dos recipientes a presión puede suceder que el 10% de la caída de presión en la cañería que los une sea un porcentaje muy pequeño para la variación de presión de cada uno de los recipientes , en ese caso se debe aumentar esta previsión. Como vemos las presiones a las que el sistema opera y sus posibles variabilidades son las que determinaran este considerando. Para tener una estimación de cálculo podemos asignar a la misma un 5% de la caida de presión por fricción y un 5% de la presión del recipiente que recibe la corriente (Pe )

(∆ Pv )2 = 0.05* ( Ps - Pe ) + 0.05* Pe = 0.05* Ps 3.- Previsión para tener en cuenta la válvula de control en si. La válvula aún toda abierta produce una pérdida de carga. Este Item tiene en cuenta la denominada perdida basica o base de la válvula y depende del tipo de válvula. Es lo que en la nomenclatura identificamos como B Trabajando con las velocidades recomendadas para las corrientes en plantas industriales y asumiendo que en la mayoría de los casos la válvula de control resulta un tamaño menor que la cañería en la que se instala y promediando el valor de la fricción básica en un rango de tamaños razonable se obtienen estos valores recomendados. Tipo de Válvula de Control Macho Simple Asiento Macho Doble Asiento Jaula Desbalanceada Jaula Balanceada Mariposa Bola con Entalla en V

(∆ Pv )3 = B

Pérdida Básica Promedio en PSI 11 7 4 4 0.2 1

La expresión en definitiva resulta :

∆ Pv = (∆ Pv )1 + (∆ Pv )2 + (∆ Pv )3

(∆ Pv )3 = B

Pérdida Básica Promedio en Bar 0.77 0.49 0.28 0.28 0.014 0.07

Dadas las expresiones arriba indicadas la caída de presión recomendada para la válvula de control se puede escribir así.

∆ Pv = 1.1 [(Qm / Qd )2 - 1]* F + 0.05* Ps + (∆ Pv )3

Figura 1 En el caso del ejemplo (figura 1) para el cálculo de ∆ Pv se conocen las pérdidas de carga en las cañerías, accesorios, precalentadores, calentador con quemadores, diferencia de alturas , presión final (interna del fraccionador), y se desconoce cual será en definitiva la presión de suministro Ps ya que esta no se puede sacar sin ∆ Pv . Se establecerá un sistema de tanteos , teniendo en cuenta algunos resultados de la experiencia. Se tiene como dato que los ingenieros de proceso han determinado que Qm = 1.2* Qd Se pueden plantear dos ecuaciones , una la de balance de pérdidas, la otra la de la caída de presión requerida por la válvula para controlar entre Qm y Qd .

∆ Pv = ( Ps - Pe ) - F – ∆PH Poniendo todos los valores en psi y reemplazando los datos del ejemplo da:

∆ Pv = ( Ps - 20 ) - 124 – 15 = Ps - 159 En cuanto a la ecuación de la pérdida necesaria para la Válvula de control para la variabilidad del caudal estimada será:

∆ Pv = 1.1 [(Qm / Qd )2 - 1]* F + 0.05* Ps + (∆ Pv )3 que reemplazando los valores del ejemplo y considerando una válvula globo de jaula (perdida de base 4psi) da:

∆ Pv = 1.1 [(1.2 )2 - 1]* 124 + 0.05* Ps + 4 ∆ Pv = 0.05* Ps + 64.016 que entre ambas constituyen un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas que dan:

Ps = 235 psi y ∆ Pv

= 76

psi

Si hubiésemos tomado la receta de 1/3 de la caída por frotamiento en la línea hubiésemos asignado a la válvula una caída de 124/3 = 41.33 psi con lo cual el lazo se hubiese salido de control antes de alcanzar Qm . Se aconseja 1.- constatar a que régimen se calcularon las pérdidas por fricción (Qm o Qd) . 2.- De no disponer de la relación Qm / Qd , se aconsejan valores de 1.1 para válvulas de control de caudal y de 1.25 para válvulas de control de nivel, temperatura y presión. Estos valores se basan en la respuesta típica dinámica de esos lazos ante una perturbación. 3.- Si usando este método la válvula resulta de la misma medida de la cañería , el resultado puede estar indicando que el dimensionamiento de la cañería está cerca de lo mínimo requerido, pero el lazo funcionará tal como se lo especificó. Las ecuaciones sirven también si las presiones se colocan en pascales. Sitio web. Valve Master TM Automatic Control Valve Selection and Sizing Program. Version ?? for Windows TM and Apple Macintosh. http://www.controlvalves.com/vmaster.htm