Criterios de selección prácticos

1. Introducción

La adecuada selección de una válvula de control para una determinada aplicación puede ser un problema de fácil solución o llegar a ser tremendamente complicado. Existen muchos factores involucrados, incluyendo los conocimientos que el responsable del diseño/selección debe tener para conseguir el objetivo con éxito. Asumiendo esto último por parte de los lectores de este trabajo, trataremos de exponer un mínimo de criterios que deben tenerse en cuenta en la mayoría de los casos donde se requiere seleccionar una válvula de control.

2. Requerimiento de pérdida de carga

La función de una válvula de control en un determinado sistema es la de absorber una cantidad adecuada de pérdida de carga para mantener dicho sistema en equilibrio bajo cualquier condición de operación. La caída de presión asignada a las válvulas de control, al objeto de lograr un sistema controlable, se basará en lo siguiente:

a) Servicios de bombas (lado descarga).- En sistemas de descarga de bombas se considera que la caída de presión normal (la que corresponde al caudal normal de diseño), debe ser mayor o igual a un tercio de la disponible en todo el sistema o 15 psi (1bar) si esta última es superior. La disponible en todo el sistema incluye la de la válvula más el resto dinámico o de fricción.

Si la línea es muy larga o de gran pérdida de carga, el porcentaje de caída de presión en la válvula puede ser menor, pero nunca inferior al 15-20% de la total disponible o 10 psi (0.7 bar), si esta última es superior.

b) Otros servicios de líquidos: (caudal por gravedad, caída de un nivel de presión a otro, etc.).- La caída de presión es una función del sistema en consideración, pero como norma general, la caída de presión asignada a la válvula de control no será menor del 10% ni mayor del 85% de la disponible para pérdidas de fricción o rozamiento.

c) Servicio de gas.- Para servicios de compresores, el ingeniero se guiará por los criterios anteriores para bombas.

Generalmente para otros servicios de gas, la caída de presión asignada a la válvula no debe ser menor del 10% ni mayor de la 85% de la presión diferencial disponible para pérdidas por rozamiento.

d) Asimismo y considerando la caída de presión crítica, deberá considerarse lo siguiente:

1) Servicios líquidos: La caída de presión a utilizar en el cálculo de dimensionamiento de válvulas dependerá del valor de la caída de presión normal con respecto a la caída de presión crítica. De esta forma, si la ∆_p normal ≥∆_p crítica, se utilizará en el cálculo la ∆_p crítica y no la normal. En el caso de que la ∆_p normal < ∆_p crítica,  será la ∆_p normal la que se utilizará en el cálculo.

Para evitar el derrame crítico deberá considerarse:

• Seleccionar una válvula con mayor coeficiente de caudal crítico.
• Situar la válvula de forma que su presión estática aumente.
• Cambiar tamaño tubería.
• Diseñar con ∆_p  normal más bajo.
• Poner dos válvulas idénticas en serie.

Si la vaporización no puede ser evitada, la válvula debe ser localizada para que la vaporización lo haga en el recipiente o depósito. Si, asimismo, no pueden evitarse la vaporización y/o cavitación, se deberán seleccionar los órganos internos para soportar estas condiciones.

2) Gases y vapores: Se deberán hacer consideraciones similares, aplicadas a este caso, en la correcta elección de las fórmulas de cálculo, en el caso de que existiera derrame crítico.

e) Por último, y al objeto de dimensionar el actuador de las válvulas de control, así como los ejes en las válvulas de obturador excéntrico rotativo, se considerará ∆_p a través de la válvula, la máxima ∆_p en la condición más desfavorable. Normalmente, se estimará para estos efectos como ∆_p máxima, la consideración de válvula cerrada con presión aguas abajo cero (P₂ = 0) y la máxima presión en la entrada.

3. Requerimiento de capacidad

El conocimiento de los caudales normales, máximos y mínimos así como los relativos a densidades, presiones de vapor, viscosidades etc., son necesarios para un correcto dimensionamiento y selección de una válvula de control. Cuando estos valores son conocidos, el cálculo de una válvula no presenta demasiados problemas.

Existen diferentes criterios a la hora de utilizar en las fórmulas los valores más adecuados. Aquí daremos algunos:

El caudal a utilizar en las fórmulas de dimensionamiento de válvulas de control será el 143% del caudal normal o de diseño. Si los datos de proceso no dan el caudal normal sino un caudal máximo, el cálculo del caudal será el 110% de este máximo.

En el caso de darse de ambos valores (normal y máximo) se considerará como caudal de cálculo el:

Caudal cálculo = caudal normal x 1,43 y si este valor fuera inferior o igual al caudal máximo x 1,1, entonces el caudal cálculo = caudal máximo x 1,1.

Los criterios anteriores son adecuados para determinar el tamaño de la válvula que garantice, con una cierta holgura, que pase a través de la válvula el caudal máximo produciendo la pérdida de carga adecuada. Pero sigamos el proceso de selección. Una vez calculado el C_v con estos criterios (podemos llamarlo el C_v requerido),  hay que seleccionar una válvula real dentro del tipo básico considerado y correspondiente a la gama disponible en un fabricante determinado. Lógicamente la selección recaerá en aquella válvula cuyo C_v sea igual o superior al requerido. En muchos casos, por tanto, el C_v de la válvula escogida es claramente superior al requerido. Si a esto añadimos que suele ser frecuente que en los cálculos de caudales máximos los ingenieros de proceso incluyen ya un valor de tolerancia alto, el resultado final puede llevarnos a una válvula sobredimensionada. ¿Es esto grave? En primer lugar, puede significar aumento del coste de la válvula. Pero puede ser más grave el efecto sobre la eficacia del control.

Como sabemos, las válvulas tienen una rangeabilidad limitada y no regulan bien cuando están próximas a su posición cerrada.

Supongamos, aunque no es muy frecuente, que tenemos el caso de un proceso en que, en determinadas fases de las operaciones, se requiere regular en condiciones de muy bajo caudal. En estos casos habrá que determinar el C_v correspondiente a ese bajo caudal (C_v mínimo requerido). Habrá que comprobar que el C_v mínimo está dentro de la rangeabilidad de la válvula escogida. Si la válvula está sobredimensionada si agudizará este tipo de problemas.

Como resumen cabe decir que, para el correcto dimensionado, es imprescindible conocer las diferentes condiciones de operación en que va a trabajar la válvula. Evidentemente esto depende del proceso concreto y las variantes y casos que se pueden presentar son innumerables.

Otros criterios de dimensionado son los siguiente:

Las válvulas de mariposa se dimensionarán para caudal máximo con 60% de abertura angular.

Este criterio se aplica debido a que las características de regulación de las válvulas de mariposa en condiciones de operación suelen deteriorarse a partir de tales ángulos de abertura.

Las válvulas de tres vías se dimensionarán de forma que pase el caudal máximo por una sola vía.

A continuación, se indican otras consideraciones a tener en cuenta en el cálculo de la capacidad (C_v) de válvulas:

1.-Líquidos

• Líquidos en régimen laminar, alta viscosidad: aplicar corrección, sólo si la viscosidad es > 20 centistokes.
• Régimen bifásico: aplicar fórmulas adecuadas.
• Efecto conos reductores: La corrección se efectuará sólo en el caso de que el coeficiente de caudal crítico sea menor que 0,87 y la relación entre el tamaño válvula y el de tuberías es menor que 0,75.

2.-Gases y vapores

• Comprensibilidad: Aplicar corrección para caso de trabajar con presiones mayores a 7 bares.
• Respecto a la corrección por conos reductores, sirven las mismas normas que en líquidos.

Normalmente el tamaño, resultante del cálculo de una válvula de control, suele ser inferior al de la línea donde irá instalada. Si es del mismo tamaño o superior, deberán revisarse, tanto los cálculos del sistema como los de la propia válvula.

4. Curva característica

Recordemos que la relación entre el cambio de carrera o apertura de una válvula de control y el cambio de caudal nos definía la característica de una válvula de control (Fig. 1).

Asimismo, si esa relación caudal/apertura se hace con ∆_p cte. a través de la válvula, la característica se denominaba “inherente” y si se tenía en cuenta que la ∆_p dinámica del sistema de tuberías se incrementaba con el aumento de caudal reduciendo la ∆_p disponible en la válvula y tomando como factor modificador a la relación entre la ∆_p normal (la de cálculo)/ ∆_p sistema (∆_p válvula + ∆_p dinámica),  sabíamos que la característica real instalada variaba de acuerdo con este factor. Lo importante, como es lógico, a la hora de analizar la estabilidad de un bucle de control cuando la medición está siendo regulada automáticamente, es no solo que la ganancia total del bucle sea inferior a la unidad (cosa que normalmente es fácil lograr con el ajuste de banda proporcional del controlador), sino que la ganancia se mantenga constante para cualquier valor del intervalo de trabajo y esto solo será posible si el comportamiento de todos los componentes del lazo (incluida la válvula como es lógico) se comportan linealmente a lo largo de su zona de funcionamiento.

Un análisis detallado de la aplicación de la válvula para poder elegir un tipo de característica tal que una vez instalada y funcionando dicha válvula pueda compensar posibles variaciones de ganancias del resto de los elementos del lazo sería lo ideal. Esto a veces requiere un estudio técnico y unos conocimientos que raramente se poseen, por lo que es la experiencia y la práctica la que en la mayoría de los casos fija el tipo de curva característica dependiendo de la variable controlada, el tipo de proceso y otros elementos del bucle.

Así podemos decir que si un sistema (proceso, transmisor, controlador, etc.) es lineal, la característica resultante de la válvula deberá ser también lineal para mantener dicho estado. Si el sistema (excluida la válvula) no fuera lineal, habría que poner una válvula cuya característica real instalada compensase la no linealidad del resto.

De esta forma y teniendo en mente el factor modificador r (relación entre la pérdida de carga en la válvula y la pérdida de carga total del sistema) del cual dependía la característica real instalada tendremos:

• En procesos lineales tales como regulación del nivel, de presión y de caudal con señal lineal si r es mayor que 0,4 debería usarse una válvula de característica inherente lineal. Si r es menor que 0,4 debería usarse isoporcentual.
• En caso de caudales con señal cuadrática, si r es mayor que 0,2 debe usarse lineal y si r es menor conviene isoporcentual.
• En los casos de regulación de temperatura, es el comportamiento de la ganancia del proceso el que juega el papel fundamental.

Normalmente la ganancia en estos procesos no es constante, sino que acostumbra a variar (la ganancia) de manera proporcionalmente inversa al caudal y esta variación se compensa con un cambio de ganancia en la válvula directamente proporcional al caudal tal como ocurre con la curva isoporcentual.

Si la ganancia del proceso fuera cte., entonces la elección de la característica sería igual que el caso de regulación de nivel, presión o caudal donde el factor r fijaría la elección más idónea.

En todos los casos si existe duda razonable, es mejor elegir una válvula isoporcentual que lineal, ya que la experiencia ha demostrado que este tipo de elección no he dado excesivos problemas, aún en el caso de no ser la correcta. Sí los ha dado en el caso contrario. Hoy en día, en determinadas válvulas, es posible cambiar el tipo de curva característica cambiando de posición una leva que se acopla en el posicionador con lo que se hace menos problemática la elección de la característica. En el caso de posicionadores inteligentes es aún más sencillo el cambio de característica mediante la reconfiguración de los parámetros del posicionador.

Julio Rivas

Petronor, S.A.

(* 1ª de 4 partes)