Consideraciones para la selección de válvulas de control

Consideraciones para la selección de válvulas de control

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Las válvulas son elementos usados para detener o controlar el paso de fluidos a través de una tubería. El uso correcto de las válvulas permite dosificar de manera precisa uno o varios componentes en un proceso determinado. Las válvulas se usan además para bloquear el paso de un fluido de manera segura. Existen numerosos tipos de válvulas dependiendo de la aplicación para la que sean requeridas y no existe aún una manera unificada de clasificarlas. Existen clasificaciones que se basan en la forma geométrica de la válvula, por ejemplo: válvulas rectas (una entrada y una salida en un mismo eje), válvulas de esquina (la entrada y la salida forman un ángulo recto) y válvulas de asiento inclinado (el mecanismo de bloqueo del fluido está por lo general a 45° de la dirección del flujo), entre otras.

Otra forma de clasificación es por su tipo de accionamiento. Existen válvulas manuales, que se accionan por medio de un volante que gira un eje roscado que sube y baja el mecanismo de bloqueo. Existen también válvulas accionadas con motores eléctricos, o con electroimanes, válvulas accionadas con la energía del fluido mismo, como las válvulas de seguridad o las de los neumáticos.

Según el tipo de mecanismo de bloqueo, también existen diferentes tipos de válvulas. Entre las principales se encuentran las siguientes
  • Válvulas de compuerta: Son válvulas que presentan un sistema lineal de cierre en el que una placa en forma de cuña, disco o compuerta se mueve en forma perpendicular a la dirección de flujo, interrumpiendo completa o parcialmente el movimiento del medio.
  • Válvulas de bola: El mecanismo de cierre es una bola que tiene un agujero pasante a lo largo de su eje horizontal central. La bola puede rotar libremente con respecto a su eje vertical central. Cuando el eje del agujero de la bola se alinea con la dirección de flujo, el medio pasa libremente a través. Si el eje está perpendicular a la dirección de flujo, el medio se interrumpe completamente. Se trata de una válvula de operación rápida, ya que puede iniciar o detener el flujo con tan solo un cuarto de vuelta (90°) del eje actuador.
  • Válvulas de mariposa: La válvula tiene en su interior un disco plano (llamado mariposa) que tiene un diámetro cercano al interno de la tubería. El disco puede rotar dentro del cuerpo de la válvula alrededor de su eje central. Cuando la cara del disco está perpendicular a la dirección de flujo, el medio se detiene. Cuando la cara del disco es paralela a la dirección de movimiento del medio, el flujo alcanza su valor máximo.
  • Válvulas de globo: Este tipo de válvulas controla el flujo por medio de la acción de un pistón lineal que maneja un disco que se cierra gradualmente contra un sello cónico. Cuando el disco se mueve hacia arriba al abrir la válvula, se genera una apertura anular por la cual fluye el medio. Al conocer exactamente la geometría del disco, del sello y la posición relativa entre ambos, es posible determinar con exactitud el área anular y así controlar el flujo

Otra de las posibles maneras de clasificar las válvulas es precisamente por la tarea que cumplen en el sistema hidráulico o neumático. Dependiendo de las posibilidades que le dan al medio para fluir, puede haber 4 casos fundamentales:

  • El medio puede ser interrumpido (parcial o completamente) en ambas direcciones al pasar por la válvula (Válvula reguladora de flujo y presión),
  • el medio es interrumpido dependiendo de la dirección de flujo (Válvula de cheque),
  • el medio es interrumpido (parcial o completamente) dependiendo de su presión (Válvula de presión),
  • el medio se puede dirigir al mismo tiempo por diferentes tuberías (Válvulas de varias vías).

Como puede verse inicialmente, el tema de las válvulas es muy amplio y abarca mucho más de lo que es posible tratar en un solo artículo. En esta ocasión, este texto se centrará en los principios básicos para la selección de válvulas reguladoras de flujo y presión.


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Válvulas de reguladoras de flujo y presión

Con respecto a los tipos reseñados anteriormente de válvulas clasificadas según su tipo de bloqueo, todas podrían ser usadas para control de flujo. Sin embargo,  existen algunas diferencias entre ellas que las hacen más o menos adecuadas para la tarea. A continuación se presenta una tabla sencilla en la que se describen algunas ventajas y desventajas de cada tipo de válvula.

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Es importante conocer la forma como se escogen las válvulas reguladoras con el fin de ser capaces de dimensionarlas y de garantizar que su funcionamiento sea libre de problemas y pueda mantenerse por largo tiempo. Debe tenerse en cuenta que existe una gran variedad de tipos de válvulas reguladoras y cada tipo en particular tiene un procedimiento de escogencia. Sin embargo, de manera general, siempre se busca mantenerse dentro de un rango de parámetros que permitan, por ejemplo, un funcionamiento de bajo ruido u otras vibraciones nocivas para el proceso.

La norma que estandariza los cálculos para la capacidad de flujo de una válvula reguladora es la DIN EN 60543. Allí se encuentran definidos los términos y las condiciones generales necesarias para hacer los cálculos tanto para fluidos compresibles, como incompresibles. Determina también los procedimientos para que los fabricantes de válvulas midan el valor característico de la capacidad de flujo (KV) y las fórmulas matemáticas que se pueden utilizar en diferentes condiciones.

Es importante tener en cuenta que este valor KV es válido únicamente para flujos incompresibles newtonianos como agua, aceite, entre otros y para flujos compresibles como gases y vapor bajo condiciones ideales. No está diseñado para interpretar flujos multi-fase o fluidos de comportamiento no newtoniano.


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¿De dónde proviene el valor de capacidad de flujo KV?

El flujo a través de una válvula está sometido a esfuerzos cortantes que generan fricción. Esto disipa la energía contenida en el fluido en forma de calor y vibraciones, entre otros. Esta disipación de energía se ve reflejada en pérdidas de presión en el fluido. Esta pérdida de presión generada por las válvulas es además dependiente de su grado de apertura. Para caracterizar técnicamente estas pérdidas se creó el valor de capacidad de flujo KV, que representa un valor de caudal normalizado a través de una válvula, para poder hacer comparaciones entre diferentes opciones, a la hora de diseñar un sistema de flujo.

La pérdida de presión en una válvula de control de presión es proporcional al cuadrado del flujo volumétrico e inversamente proporcional al cuadrado de un área de flujo característica, que normalmente está determinada por el espacio entre el sello y el plato de cierre. Utilizando un resorte que mantiene un área de flujo determinada, se puede controlar el flujo que pasa a través de ella, generando pérdidas de presión conocidas y predecibles, logrando así el valor deseado de presión aguas abajo. En este caso se debe tener cuidado con los ruidos generados por el flujo que crecen también con el cuadrado de la velocidad. Los fabricantes de válvulas reguladoras de presión entregan gráficas de presión sonora causada por la variación de velocidad de flujo pasando a través de la válvula. Se considera que un valor de presión sonora de 20 Pa alcanza ya el umbral de dolor. En la práctica, a partir de valores de 2 a 3 Pa, se recomienda pensar en instalar sistemas de amortiguamiento del ruido generado por el flujo.

A continuación se presenta una deducción del valor Kv, para poder entender qué está detrás y poderlo usar de manera óptima para diferentes aplicaciones.

En una válvula se puede calcular el flujo volumétrico de esta manera:

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Si se declara que hay una pérdida constante de presión ζ para una sección de apertura de la válvula A, entonces se puede obtener una relación de pérdidas con un área de flujo constante  para el flujo volumétrico de esta forma:

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Si se relaciona este flujo volumétrico  a un flujo volumétrico de referencia  para la caída de presión , entonces se logra la relación:

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El flujo volumétrico de referencia  que en una válvula con un valor de desplazamiento h, una caída de presión de  100 kPa con una densidad de referencia del agua a T = 15°C de 999 kg/m3, es definido como el coeficiente de flujo KV en m3/h. En la práctica, se considera que el agua puede estar entre 5 y 30°C debido a que en este rango la densidad del agua se mantiene aproximadamente alrededor de 1000 kg/m3.

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De esta manera se puede determinar el flujo volumétrico de una válvula con el valor KV entregado por los fabricantes.

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Los valores KV son entregados por los fabricantes en relación al tamaño y el tipo de la válvula, dependientes de la relación de apertura de la válvula h/hmax o simplemente del valor de desplazamiento del pistón de cierre h.

La Gráfica 1 muestra la variación de los valores KV para válvulas de fuelle con diámetros nominales DN15 al DN50 dependiendo de la relación de apertura h/hmax del pistón de la válvula. No se entrega la pérdida de presión, sino el flujo volumétrico en m3/h con una caída de presión  = p2 - p1 = 100 kPa para a agua a T = 15°C y una densidad de 999 kg/m3. Estos valores se pueden usar para la escogencia de las válvulas.

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El sistema inglés usa un valor de coeficiente de flujo denominado cv, que equivale al flujo de agua en USgal/min con una diferencia de presión de 1 psi y una temperatura de 60°F. Entre los dos coeficientes existe la siguiente relación de conversión:

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Los valores de presión aguas arriba (p1) y aguas abajo (p2) deben medirse al menos a 2 diámetros de la tubería de distancia de cualquier accesorio en el primer caso y al menos a 6 diámetros de distancia para el caso de p2.

Si se quiere hacer el cálculo de KV para gases o vapor, existen fórmulas especializadas para cada tipo que se pueden encontrar en la norma DIN EN 60543 o en los sitios web de fabricantes como RTK o Mankenberg.

En el caso de la velocidad de flujo v se recomiendan diferentes valores dependiendo del tipo de medio que fluye en el sistema así:

Para determinar el tamaño nominal (o diámetro nominal, DM) de la válvula, se utiliza la velocidad de flujo a la entrada de la misma. Si se trata de líquidos se recomienda una velocidad máxima de 2.5 m/s, para gases 20 m/s, vapor saturado 25 m/s y vapor supercalentado 50 m/s.

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La fórmula anterior calcula el diámetro nominal, DM en mm para un flujo,  en m3/h y una velocidad de entrada a la válvula, v en m/s. Diferentes fabricantes de válvulas sugieren utilizar el siguiente diámetro nominal más grande disponible en el catálogo al valor obtenido con la fórmula.

La curva característica de la válvula de control

En el caso de procesos críticos que deban ser controlados con gran precisión, es necesario conocer la curva característica de la válvula de control. Esta curva, como se vio en la Gráfica 1, es la relación entre el valor KV y la carrera h en válvulas de globo, o incluso del ángulo de la mariposa o de la bola en caso de otro tipo de válvulas. En el caso de las válvulas de control más utilizadas, es decir, las válvulas de globo, al modificar la geometría del disco se puede controlar la forma como la carrera lineal del pistón controla el área anular entre el disco mismo y el sello cónico, y por ende el flujo. De esta manera se pueden encontrar discos planos para una apertura completa rápida, o discos en formas de cuña variadas que permiten variar la relación de apertura con la carrera del pistón. Esto genera curvas características lineales, logarítmicas o de “igual porcentaje”, y cuadráticas, entre otras. Comercialmente, en el caso de las válvulas de globo, las curvas más comunes son las dos primeras.

Las curvas de igual porcentaje se caracterizan porque para incrementos iguales de carrera h, se obtienen cambios del valor KV en un mismo porcentaje del valor anterior de KV. La curva lineal se caracteriza, porque para cambios constantes de la carrera H se consiguen cambios constantes del valor KV.

La Gráfica 2 muestra una comparación entre los dos tipos de curvas características.

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Una ventaja de las válvulas con curva de igual porcentaje es que logra mejorar la resolución de control a valores bajos de KV con respecto a las de curva lineal. Por otro lado es importante resaltar que los efectos de pérdidas de presión por el resto de la línea de tubería causan un cambio en las curvas características que tienden a linearizar las curvas de igual porcentaje. Este efecto puede ser interesante a la hora de controlar el proceso debido a que la ganancia del sistema es fácilmente regulable por controladores sencillos. Este tipo de cambios en las curvas características deben ser tenidos en cuenta y de preferencia ser consultados en caso de necesitar controlar los procesos de manera muy precisa.
De manera general, las válvulas de control con curva de igual porcentaje se aplican cuando la mayoría de las pérdidas de presión en el sistema no ocurren debido a la válvula y son preferibles cuando se requiere controlar temperatura o presión. Por su parte las válvulas lineales se aplican en sistemas que requieren control de flujo y donde se espera que la mayoría de las pérdidas de presión sucedan en la válvula.


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A continuación se mostrará un ejemplo práctico para la elección de una válvula conociendo los parámetros de flujo del sistema:

Se quiere bombear agua a temperatura ambiente con valores de caudal entre 20 y 126 m3/h. La presión aguas arriba (p1) puede variar entre 15 y 18 bar. Aguas abajo (p2) se quiere mantener la presión a 13 bar.

Utilizando la Ecuación 4 se calculan los valores de capacidad de flujo KV para la condición de flujo máximo y diferencia de presión mínima, y la condición de flujo mínimo y diferencia de presión máxima.

Es decir, para  = 20 m3/h y  = 5 bar el valor de KV ≈ 9 m3/h. Para  = 126 m3/h y   = 2 bar el valor de KV ≈ 89 m3/h.

En este momento es importante aclarar el valor KVs, que se define como el valor de capacidad de flujo KV para la apertura máxima de la válvula. Por su parte, el valor KV0 se refiere al valor mínimo que se puede aún controlar de KV para la válvula escogida. Ambos valores son entregados por los catálogos de válvulas de regulación de flujo y presión.

La relación dada por KVs/Kv0 es la razón característica de la válvula.

La razón característica más común de tipo “igual porcentaje” es 50:1, es decir una curva característica en la que su punto máximo está dado por KV/KVs = 100% para un h/hmax = 100% y con un punto mínimo en el que  KV/KVs = 2% cuando h/hmax ≈  0%. Es decir una relación de 100:2, o simplificando 50:1.

Las razones características de 50:1 se tienen comúnmente para válvulas con un diámetro nominal DN < 50mm. En el caso de válvulas con diámetro nominal DN > 50 se obtienen razones características comúnmente de 30:1.

Continuando con el cálculo, se encuentra en diferentes puntos de literatura que se debe usar un factor de seguridad para el valor calculado de KV. Normalmente este factor se estima entre 1.1 y 1.3. Usando para este ejemplo un valor de 1.1, se obtiene para KVs lo siguiente:

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Buscando en las tablas de los fabricantes se obtienen valores posibles de  para válvulas en diámetros nominales de 100, 125 y 150 mm. El siguiente paso es calcular la velocidad de flujo para el caudal máximo con los diámetros posibles para evitar posibles problemas de ruidos y vibraciones. Ver Ecuación 8.

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Teniendo en cuenta que para tener valores no críticos de flujo se deberían obtener velocidades máximas de 3 m/s, sería razonable escoger la válvula DN125.

Para una razón característica típica de 30:1 (Para DN > 50mm) finalmente, se obtendría un valor de KV0 = 3.33. Revisando en el catálogo, este valor es aún controlable por la válvula DN125, así que esta es la que se escoge para el trabajo.

Como comentario final, cito una frase del ingeniero Trevor Bishop de KBR. “El correcto dimensionamiento de las válvulas de control trae beneficios tanto económicos como para el proceso. Es común que el desconocimiento del proceso de selección lleve a un sobredimensionamiento de las válvulas, lo cual redunda en poca capacidad de control y vida de servicio reducida”.


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