1Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de Andaluca Occidental-Sevilla
VALVULAS DE CONTROLClculo y Seleccin
Tema-5
A.Campo Lpez
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El derrame en LIQUIDOS puede ser:
Laminar
Turbulento
La circulacin de un fluido por una tubera depende de cuatro factores:
Densidad Viscosidad
Velocidad DN- Tubera
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La combinacin de estos cuatro factores permiten calcular el N de REYNOLDS
Re = . V . d / Vis. = . Q . d / Vis. A
Vis-Viscosidad dinmica (cp) -Densidad. V-Velocidad-m/sd-Dimetro-cm. A-Area m2
Bajos N de Re. Las fuerzas viscosas son dominantes. Flujo liso-uniforme [ LAMINAR ]
Altos N de Re. Predominan las fuerzas de inercia produciendo turbulencias, vortices, etc. [TURBULENTO]
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Fd Factor de estilo. 0,7 para mariposas y doble asiento. 1 para el resto
CRITERIOS DE SELECCIN PARA FLUIDOS VISCOSOS
Diseos de cuerpo paso sencillo:
- Sector de bola
- Rotary-plug-globo
- Mariposa-macho
Evitar reducciones tuberas, codos en la entrada, angulos cerrados, etc.
Frmula IEC para N de Re
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En una restriccin la presin esttica se transforma en energa cintica.
La presin cae a lo largo del orificio (Pvc) y se recupera despus.
La recuperacin (Fl) depende de la forma de la vlvula. Derrame
P1P2
Pvc
Fl
DERRAME TURBULENTO
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Masa Energa
Ecuacin de Bernouillipara fluido incomprensibles
V2 + P =Constante
V PCuando la velocidad aumenta, la presin disminuye.
1A1V1 = 2A2V2A V
Cuando el rea disminuye, aumenta la velocidad.
Conservacin de Masa y Energa
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RESPUESTA DE DOS VLVULAS
con igual caudal y presin de entrada P1
P2
P2
Mayor friccion
Mayor velocidad
Velocidad
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El valor de P2 despus de una restriccin, (vlvula)
depende del tipo de vlvula usado.
Hay vlvulas de ALTA RECUPERACIN y otras que
son de BAJA RECUPERACIN de presin.
El factor relacionado con este fenmeno es:
Fl = Liquid Pressure recovery Factor
(Factor de recuperacin de presin en lquidos)
Se asigna a cada vlvula segn la forma de su paso
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Q
p
Q
p
FL = 099
FL = 060
Alta Recuperacin
Baja
recuperacin
El caudal critico se alcanza segn sea Fl tipo de vlvula
FL =
FL =
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La tasa de recuperacin de presin viene definida por el coeficiente Fl
PvPPPF l
=1
21
( )PvPlcrtica Fp = 12
Valor en tablas de cada fabricante
Depende de:
Tipo de vlvula
Sentido de circulacin
Con / sin conos reductores.
XF = P1 P2 / P1 Pv Differential pressure ratioXFz Cavitacin incipiente acusticamente detectada
Kc - Fl basado en el anlisis choked flow
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( )pFF vflp Pcrtica .1 .2 =
PPF
c
vF 28,096,0 =
Una formula ms completa incluyendo Pc
Siendo
Ejemplo:
Fluido con P1= 12 bar-a; P2 = 8 bar-a Pv= 7,36 bar-a
Pc agua = 221 Delta-p crit= 4,5bar
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Anlisis de la cavitacin
Analizar la p con respecto a
Pv Fl Kc XFZ
- sigmaPresindinmica
P1
P2
Pvc
FLKc- Cfte. de cavitacin incipiente. Denuncia el inicio de cavitacin. Experimental de cada vlvula. Ver catlogos.
p Cav. Inc. = Kc (P1 Pv) Derrame
Pv
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XFZ es el punto en el que un incremento de nivel de ruido es detectado como aviso de posible inicio cavitacin incipiente.
Puede coincidir con i aunque el factor sigma denota el inicio de cavitacin detectado por un detector de alta frecuencia.
XFZ = p / P1 Pv = 1 /
En el procedimiento IEC-60 534-8-4-2 ed. no interviene sigma.
XFz (XF) basado en curva de ruido(lquidos)
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CAVITACIN y - Sigma
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El factor ( basado en niveles de energa no en el choked flow) considera adicionalmente la influencia de:
DN de la vlvula y tubera
(SSE-Size Scale Efect)
Condiciones de proceso
(PSE-Pressure Scale Efect)
Se determina
experimentalmente con
varios tamaos y
a distintas presiones.
Cada fabricante fija
el mr de susdiseos.
Factor SIGMA-
MVmr
C
i
1 P1 - PV = SigmaP1 - P2
Max. VibrationRegime
ConstantCavitationRegime
IncipientCavitationRegime
Hydrodymaic Vibration R i
Acc
eler
atio
n (d
BA
)
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- El nivel de cavitacin aumenta cuanto mayor sea la diferencia P1 Pv, influyendo el tipo de vlvula.
Pv Presion de Vapor
Pc Presion crtica
Kc Coeficiente cavitacin incipiente
Fl - Pressure recovery factor (Choked flow)
XF = P1 P2 / P1 Pv Differencial pressure ratio
XFz Valve specific characteristic pressure ratio(Inicio de cavitacin acusticamente detectada)
Factor sigma -
Hemos visto:
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PvPv
PP11
Subcrtica
Cavitacin
Flashing
P2
TIPOS DE DERRAME
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AGUA
VAPOR
CAVITACION
EBULLICIONpor aumento de T
20 40 60 80 100
1
0
Presin - Bar
Temperatura C
Cavitacin no es ebullicion
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CAVITACIN
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CAVITACIN
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Cavitacin localizada
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CAVITACIN + abrasin
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FACTORES DETERMINANTES:
CAVITACIN
Propiedades del fluido: Pv, Presin diferencial,
Tensin Superficial, temperatura, viscosidad, Sp. Gr.
Tipo (diseo) de la vlvula. (forma interna)
Tamao / rgimen de caudal / % apertura.
Velocidad del derrame
Materiales del trim
Nivel de ruido hidrodinamico
Antecedentes y experiencia
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Agresividad de la cavitacin
Diseo de vlvula
Naturaleza del fluido
- Agua caliente / condensado de vapor.
- Mezclas con agua- Hidrocarburos y sus mezclas- (menos).
Posibilidad de corrosin
Presencia de partculas
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Que hacer frente a un derrame cavitante ?
RESISTIRLOCONTROLARLO
EVITARLO
RESISTIRLO, usando materiales duros en el trim. Aceros endurecido, templados etc.
Vlido hasta moderadas presiones diferenciales, 6-10 bar. en v. de globo, no en mariposas bolas.
La p no es el nico factor: fluido,tipo y tamao vlvula, Fl requerido, P1, etc.
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CONTROLARLO:
Hacer que el chorro no impacte en zonas vitales para la vlvula.
Analizar el Fl requerido y compararlo con el Fl de trabajo.
Esto es vlido hasta 30 bar. de p segn sea el Flrequerido.Con Fl requerido 0,92, la p podra ser 20
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Una
Etapa
Control de cavitacin
Cort. Fisher
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P1P1
PvPv
P2P2SubcriticoSubcritico
CavitationCavitation
Evitarlo:
Buscar diseos con alto coeficiente Fl
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Tecnologa multietapa
Mxima resistencia con bajas carreras.
Menor p a vlvula abierta.
600 PSI
450 PSI350 PSI
150 PSI70 PSI
25 PSI
40 PSI
Derrame
Radial
Derrame axial
Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de Andaluca OccidentalMasoneilan
Derrame AXIAL
Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de Andaluca OccidentalCort. Masoneilan
Derrame AXIAL
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Prdida de carga gradual
ltima etapa-mnima p
400 PSI
200 PSI
100 PSIMasoneilan
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Una
etapa
Multiorificio 1, 2 o 3 etapas
Construccin bsica Flow-To-Close Jaula
caracterizable
Tres etapas
Fisher-Cavitrol
Derrame Radial
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Canales de entrada
SalidaAnillos PER
Juntas
DiscoDiscoDiscoDiscoDiscoDiscoDiscoDiscoDiscoDiscoDiscoDiscoPlacaPlaca
AsientoAsiento
ObturadorObturador
Derrame Radial
Cortesia CCI
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Reduce y atenua erosin y ruido
Montaje en stack
Similar diseo FTC-FTO
C. Vulcan -Raven
Derrame Radial
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Diseo de paso tortuoso Contol de velocidad Flow-To-Open (No contrl
cav.) Derrame expansiones-
contracciones Paso expansivo.
Valtek Tiger-ToothColegio Oficial de Ingenieros Industriales de Andaluca Occidental
Derrame axial
Varias etapas(mx4)
Proteccin asiento
Flujo expansivo Menorp ltimo
paso Fluido limpio Montaje verticalFisher CAV.4
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FLASH cuando P2 cae por debajo de Pv y no se recupera.
Flash no se puede evitar.
Con derrame en flash: Materiales duros
en cuerpo e internos.
Vlvula angular FTC
Reducir velocidad salida
P1
P2
Flashing
FLASH
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FLASH EN ALTA PRESION
Fluido: Hidrocarbon 316 C Pv= 115,61 kg/cm2 a.
Pc= 19,39 kg/cm2 Sp. Gr. = 0,567 Visc = 0,228 cp
Diseo: 122 Kg/cm2 / 385 C
Caudales : 245,2 / 291,8 m3 /hora
P1 : 114,65 / 114,71 kg/cm2 g
P2 : 28,60 / 28,74
Tubera: 6 Sch 40 x 8 Sch-40
Aire cierra. Cierre Clase - V
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Cuerpo angular. Expansin dentro de tubera en dos fases: liquido+vapor.
h Paso de area creciente. h 3-6 etapas activas en la
expansin.h Fl = 0,99--------------------------------Para este caso:6 x 6 x 8 Cr. Mo. WC 9
SOLUCION
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Derrame
cavitacin:
ruido alto.
Derrame flash :
ruido bajo.
Ruido Hidrodinmico
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Ruido hidrodinmico
Producido por:
Turbulencia en derrame subcritico
Cavitacin
Falshing
El ruido hidrodinmico puede ser destructivo por las vibraciones mecnicas asociadas.
Procedimiento ms actualizado: IEC-534-8-4
Vlido para cualquier vlvula.
Precisin +/- 5dB a.
Otro procedimiento es el VDMA-24.422 Apendix-KColegio Oficial de Ingenieros Industriales de Andaluca Occidental
Ruido hidrodinmico
Proceso de clculo:[1] Se determina la Potencia del derrame ( Wm Stream Power)
[2] Se transforma a potencia snica (Lwi en dos situaciones:
no cavitando y cavitando.
(factores influyentes: Caudal y p )[3] Se determina la prdida de transmisin por la tubera(TL)
(Factores influyentes:Dimetro, Sch y ratio de frecuencias)
[4] Clculo de la potencia acstica externa (Sound power Lwe)
[5] Se transforma a Nivel de Presin Acstica (SPL) en dB A.
[6] Se refiere a un punto 1m aguas abajo, 1 m. separado.
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Ruido hidrodinmico
WmLwi
TL
Lwe
LpAe
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DERRAME EN GASES Y VAPOR
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Q
A
B
C D
X=
FK
X
T
SUBCRITICOSUBCRITICO CRITICOCRITICO
x=
0,2
P1
fl2
YY
Q= k .
Q=k . Y
Por variacin de densidad Por alargamiento
vena contracta
Choked Flow
x
x
x
Vel.Snica
p = Fk.XT. P1
Derrame de gases
p crtica = Fk . xT . P1
xT-pressure drop ratio factor
Fk-ratio of specific heads factor k/1.40
Y-gas expansion factor
K Ratio calores esp. Cp / Cv.
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RUIDO: Percepcin auditiva de unas vibraciones (ondas) quese propagan en el espacio.
La intensidad sonora puede llegar a ser proporcional a la octavapotencia de la velocidad en la extrangulacin.El ruido final no slo depende de la vlvula y su trim, influyen tambin :
Mach (velocidad) de salida Expansin de tubera Prdida de transmisin en la lnea (Sch., material et.) Combinacin con ruidos adyacentes.
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Standard internacional para Vlvulas de Control Gases secos y vapores. Para cualquier estilo de vlvula, excepto full-bore. Slo aplicable cuando la velocidad de salida sea
inferior a 0,8 de Mach. ( 1/3 de Mach en vlvulas Lo-dB )
Precisin +/- 5 dB- A
Es necesario evaluar el nivel de ruido por: Limitaciones (OSHA) tiempo de exposicin
[90 dBA para < 8 horas] Evitar las vibraciones que ocurren > 110 dBA Evitar la fatiga y fallos de tubera > 130 dBA
Metodo de prediccin basado enIEC-534-8-3
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