Dimensionado de válvulas reguladoras de presión

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Introducción El dimensionado y la elección de válvulas reguladoras de presión no es una ciencia secreta dominada sólo por algunos expertos. El modo de proceder presentado aquí permite elegir la válvula adecuada para un determinado caso de aplicación con gastos relativamente pequeños. Los modos de cálculo basados en el llamado método del valor Kv están muy simplificados en comparación con los cálculos muy exactos de la DIN IEC 534. Sin embargo, nos conducen a resultados lo suficientemente exactos para nuestros fines. El valor Kv es un coeficiente de flujo que equivale a un caudal de agua en m³/h a una presión diferencial de 1 bar y una temperatura del agua de entre 5 y 30 °C. El sistema imperial británico (pulgada) utiliza el coeficiente de flujo cv, que equivale a un caudal de agua en galonesUS/min. a una presión diferencial de 1 psi y una temperatura de 60 °F. Kv y cv están relacionados del siguiente modo Kv = 0,86 x cv.

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El valor Kvs indicado en documentaciones técnicas es el valor Kv previsto para válvulas de una serie a la carrera nominal. En base al valor Kvs, se puede determinar el caudal de paso máximo posible en una válvula.

Como ya se indicó al principio, los modos presentados aquí para determinar el valor Kv están considerablemente simplificados. Muchas magnitudes influyentes no se han considerado. Dado que tratamos el vapor de agua como un gas ideal y no calculamos con el volumen específico, puede resultar una desviación de máximo 5 %, lo cual es tolerable teniendo en cuenta nuestros suplementos. Las operaciones son simples, por lo que basta dominar las operaciones básicas y la extracción de la raíz cuadrada. Tablas y diagramas no son absolutamente necesarios, pero si se dispone de ellos, pueden facilitar el trabajo. Las presiones de servicio y márgenes de ajuste mencionados en nuestros ejemplos de dimensionado están indicados, como es corriente en general, como sobrepresiones. En cambio, los cálculos se realizan con presiones absolutas. Así por ejemplo, en el caso de una presión posterior de 7 bares mencionada en la tarea, se calcula con una presión absoluta de 7 + 1, o sea 8 bares. El caudal volumétrico y la densidad en el caso de líquidos se indican en el estado de servicio, y tratándose de gases, en el estado normal (0 °C, 1013 mbar).

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Válvulas reguladoras de presión para líquidos Determinación del valor Kv

Elección de una válvula adecuada

Para el dimensionado o antes de elegir una válvula, se calcula primeramente el valor Kv partiendo de los datos de servicio, con los cuales debe trabajar la válvula.

Nuestras tablas de elección y hojas de tipos le conducirán a los datos técnicos de las válvulas MANKENBERG. El valor Kvs de la válvula elegida debería corresponder al valor Kv calculado y provisto de los suplementos necesarios. La mayoría de las válvulas trabajan mejor dentro del margen de 10 hasta 70 % de su valor Kvs; las válvulas pequeñas no descargadas – como p. ej. las válvulas reductoras de presión DM 502, 505, 506, 510, 762 y 765 – trabajan también con caudales mínimos de una manera aún satisfactoria.

Kv Q p1 p2 Δp

Coeficiente de flujo Caudal volumétrico Densidad Presión de entrada (abs.) Presión de salida (abs.) Diferencia de presión (p1 - p2)

m³/h m³ kg/m³ bar bar bar

Ejemplo: Se busca una válvula reductora de presión para 2-7 m³/h de metanol, densidad 790 kg/m³, presión previa 9 – 12 bares, presión posterior a regular 4 bares. Calculamos con el caudal máximo y la diferencia de presión más pequeña.

Elija el margen de ajuste de tal modo, que el valor nominal deseado esté en lo posible por el límite superior. Tome p. ej. para una presión a regular de 2,3 bares el margen de ajuste 0,8-2,5 bares y no el margen de ajuste 2-5 bares, en el cual las diferencias de regulación dependientes del servicio serían considerablemente más grandes. Si en casos especiales el margen de ajuste estándar no es lo sufientemente amplio, el margen de ajuste podrá ser inferior si el régimen de la válvula es pequeño y hay menos exigencias a la exactitud de regulación. Entonces, por ejemplo una válvula reductora de presión con el margen de ajuste 0,8-2,5 puede trabajar de un modo aún satisfactorio también a 0,5 bares.

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Elija los materiales conforme a las exigencias operacionales y con la ayuda de la tabla de resistencias. Al valor Kv determinado de los datos de servicio le dotamos de un suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor Kvs que la válvula a elegir debería tener como mínimo. Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 2,78 = 3,61 m³/h Determinación del diámetro nominal Para mantener bajos las pérdidas de presión y los ruidos del servicio, no se deberán exceder determinadas velocidades de flujo en las tuberías, por ejemplo » » » » » »

por el lado de succión de bombas centrífugas por el lado de succión de bombas de pistón por el lado de impulsión de la bomba en las redes locales de agua potable en tuberías a distancia de carburante y agua en el caso de líquidos altamente viscosos

2 m/seg. 1 m/seg. 5 m/seg. 1 m/seg. 3 m/seg. 1 m/seg.

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El diámetro de la tubería puede ser calculado del siguiente modo

d Q w

Diámetro de la tubería Caudal volumétrico Velocidad de flujo

mm m³/h m/seg.

Si en nuestro ejemplo se admite una velocidad de flujo máxima de 2 m/seg., el diámetro de la tubería necesario es

Según este ejemplo, elegiríamos la tubería con DN 40. Si el diámetro nominal está predeterminado, la velocidad de flujo puede ser calculada del siguiente modo

Retornemos a nuestro ejemplo: En base a los datos de servicio habíamos determinado que el valor Kvs debería ser por lo menos 3,61 m³/h. Según nuestra tabla de elección, para ello tenemos a disposición varias series de válvulas. En virtud de las propiedades del medio nos decidimos por la válvula reductora de presión DM 652 DN 25, valor Kvs 6 m³/h, margen de ajuste 2-5 bares, casquete de muelle con conexión de tubería de fugas. Esta válvula está fabricada de forma estándar de materiales que son muy adecuados para metanol. Además se caracteriza por una alta calidad de regulación, reducido peso, buena calidad de superficie y un precio extremadamente favorable para válvulas de acero inoxidable. Otro ejemplo: Se busca una válvula mantenedora de presión que a 10 bares deje evacuar 250 m³/h de agua potable a un tanque abierto. Primeramente determinamos el valor Kvs en función de los datos de servicio. A pesar de que la presión diferencial (p1 – p2) es 10 bares, sustituimos en el cálculo sólo una presión diferencial de 0,6 x p1 [bara], o sea 6,6 bares, debido a la evaporación presentada en el asiento de la válvula. Por tanto tenemos

Es decir, el valor Kvs de la válvula debería ser por lo menos 1,3 x valor Kv = 1,3 x 97,3 = 126,5 m³/h Nos decidimos por la válvula mantenedora de presión con mando piloto UV 824 DN 200, valor Kvs 180 m³/h, margen de ajuste 4-12 bares. Se trata de una válvula de acero inoxidable relativamente económica, liviana y con una buena exactitud de regulación. Otro ejemplo más: Se busca una válvula reductora de presión apta para CIP, con la cual se pueda reducir agua completamente desalinizada de 1-3 l/min. de 2-4 bares a 0,7 bares. La tubería será diseñada en DN 25 con uniones por apriete según DIN 32 676. El valor Kv lo calculamos en base a los datos de servicio

En nuestro ejemplo tendríamos entonces en la tubería DN 40 a un caudal de paso de 7 m³/h una velocidad de flujo de La válvula debería tener entonces un valor Kvs de por lo menos 1,3 x valor Kv = 1,3 x 0,16 = 0,21 m³/h El diámetro nominal de la válvula reguladora puede estar uno hasta dos niveles por debajo del diámetro nominal de la tubería bajo determinadas condiciones de servicio, lo cual tiene validez, en particular, para las válvulas que operan con tubería de mando.

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Dimensionado de válvulas reguladoras de presión

Nos decidimos por la válvula manorreductora DM 152 DN 25, valor Kvs 3,5 m³/h, margen de ajuste 0,8-2,5 bares; es una válvula de acero inoxidable pulible en ejecución angular. Nos hemos decidido por ella, a pesar de que el valor Kvs de la válvula es relativamente alto y la presión posterior exigida está fuera del margen de ajuste indicado. Sin embargo, de los exhaustivos ensayos en el banco de pruebas sabemos que esta válvula es muy adecuada para las condiciones de servicio indicadas arriba.

Válvulas reguladoras de presión para gases Determinación del valor Kv

Determinación del diámetro nominal

Para el dimensionado o antes de elegir una válvula, se calcula primeramente el valor Kv partiendo de los datos de servicio, con los cuales debe trabajar la válvula. En el caso de un gradiente de presión subcrítico, o sea, si

Para mantener bajos las pérdidas de presión y los ruidos del servicio, no se deberían exceder determinadas velocidades de flujo en las tuberías. Si no existe ninguna especificación planificada, recomendamos

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según la fórmula

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Este ejemplo tiene la finalidad de demostrar que, conociendo bien el comportamiento de servicio, se pueden utilizar las válvulas en casos especiales también fuera de los márgenes de aplicación indicados en el catálogo.

» » » » »

hasta 10 mbar hasta 100 mbar hasta 1 bar hasta 10 bares más de 10 bares

2 m/seg. 4 m/seg. 10 m/seg. 20 m/seg. 40 m/seg.

Estos valores orientativos aproximados tienen validez para diámetros de tubería a partir de DN 80. Si los diámetros nominales son más pequeños, se deberían aplicar velocidades de flujo más pequeñas. Para determinar la velocidad de circulación se requiere el caudal volumétrico a condiciones de servicio. Éste puede ser calculado del siguiente modo:

y en el caso de un gradiente de presión supercrítico, o sea, si

según la fórmula

Kv QN Q1 Q2 N

∆p p1 p2 t1 t2 w1 w2 d1 d2

Coeficiente de flujo Caudal volumétrico en estado normal Caudal volumétrico delante de la válvula Caudal volumétrico detrás de la válvula Densidad en estado normal Diferencia de presión (p1 - p2) Presión de entrada (abs.) Presión de salida (abs.) Temperatura de entrada Temperatura de salida Velocidad en la tubería delante de la válvula Velocidad en la tubería detrás de la válvula Diámetro de la tubería delante de la válvula Diámetro de la tubería detrás de la válvula

m³/h m³/h m³/h m³/h kg/m³ bar bar bar °C °C m/seg. m/seg. mm mm

Ejemplo: Se busca una válvula reductora de presión de acero inoxidable para QN máx. 1200 m³/h de CO2, temperatura de servicio 20 °C, densidad 2 kg/m³, presión previa 10-12 bares de sobrepresión, presión posterior a regular 7 bares de sobrepresión. El gradiente de presión es subcrítico, pues es

con ello tenemos

Al valor Kv calculado de los datos de servicio le dotamos con un suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor Kvs que la válvula a elegir debería tener como mínimo. Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 11,54 = 15 m³/h

Según esto, los caudales volumétricos en nuestro ejemplo delante y detrás de la válvula son:

El diámetro de la tubería puede ser calculado del siguiente modo:

Si en nuestro ejemplo el planificador de la instalación sólo admite velocidades máximas de flujo de 20 m/seg. delante y 15 m/seg. detrás de la válvula, los diámetros de la tubería necesarios son:

Según esto, recomendaríamos la tubería DN 50 delante de la válvula y DN 65 detrás de la válvula. Si el diámetro nominal está predeterminado, la velocidad de flujo puede ser calculada del siguiente modo

En nuestro ejemplo tendríamos entonces las velocidades de flujo en la tubería

Bajo determinadas condiciones de servicio, el diámetro nominal de la válvula reguladora puede estar uno hasta dos niveles por debajo del diámetro nominal de la tubería delante de la válvula. Detrás de la válvula se ha de ampliar en varios niveles la tubería posiblemente – en función de la velocidad de flujo, lo cual se aplica, en particular, en las válvulas que trabajan con tubería de mando.

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Elección de una válvula adecuada Nuestras tablas de elección y hojas de tipos le conducirán a los datos técnicos de las válvulas MANKENBERG. El valor Kvs de la válvula elegida debería corresponder al valor Kv calculado y provisto de los suplementos necesarios. La mayoría de las válvulas trabajan mejor dentro del margen de 10 hasta 70 % de su valor Kvs; las válvulas pequeñas no descargadas – como p. ej. las válvulas reductoras de presión DM 502, 505, 506, 510, 762 y 765 – trabajan también con caudales mínimos de una manera aún satisfactoria. Elija el margen de ajuste de tal modo, que el valor nominal deseado esté en lo posible por el límite superior. Tome p. ej. para una presión a regular de 2,3 bares el margen de ajuste 0,8-2,5 bares y no el margen de ajuste 2-5 bares, en el cual las diferencias de regulación dependientes del servicio serían considerablemente más grandes. Si en casos especiales el margen de ajuste estándar no es lo sufientemente amplio, el margen de ajuste podrá ser inferior si el régimen de la válvula es pequeño y hay menos exigencias a la exactitud de regulación. Entonces, por ejemplo una válvula reductora de presión con el margen de ajuste 0,8-2,5 puede trabajar de un modo aún satisfactorio también a 0,5 bares.

Otro ejemplo: Se busca una válvula mantenedora de presión que pueda evacuar 2000 m³/h de aire caliente de 60 °C a 4 bares a la atmósfera. El gradiente de presión es supercrítico, pues es

con lo que tenemos

Al valor Kv calculado de los datos de servicio le dotamos con un suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor Kvs que la válvula a elegir debería tener como mínimo. Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 32,3 = 42 m³/h El caudal volumétrico bajo condiciones de servicio es

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Elija los materiales conforme a las exigencias operacionales y con la ayuda de la tabla de resistencias. En el caso de fluidos tóxicos o inflamables se tiene que utilizar eventualmente un casquete de muelle cerrado – posiblemente con guarnición del tornillo regulador – y prever una conexión de tubería de fugas (manguito en el casquete de muelle), para que el fluido derramado pueda ser evacuado en el caso de producirse un defecto en la unidad de mando. Retornemos a nuestro ejemplo: En base a los datos de servicio habíamos determinado que el valor Kvs debería ser por lo menos 15 m³/h. Según nuestra tabla de elección, para ello tenemos a disposición varias series de válvulas. Nos decidimos por la válvula reductora de presión tipo 652 DN 50, valor Kvs 18 m³/h, margen de ajuste 4-8 bares. Esta válvula está fabricada de forma estándar de materiales que son muy adecuados para el caso individual. Además se caracteriza por una alta calidad de regulación, reducido peso, buena calidad de superficie y un precio extremadamente favorable para válvulas de acero inoxidable.

En base a los datos calculados y teniendo en cuenta las propiedades del medio, nos decidimos por la válvula mantenedora de presión MANKENBERG UV 4.1 DN 100, valor Kvs 100 m³/h, margen de ajuste 2-5 bares. Se trata de una válvula relativamente económica y de regulación exacta que es muy adecuada para el caso de aplicación.

Válvulas reguladoras de presión para vapor Determinación del valor Kv

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y según ello, a una velocidad de circulación máxima admisible de 20 m/seg., el diámetro de la tubería como mínimo

Para el dimensionado o antes de elegir una válvula, se calcula primeramente el valor Kv partiendo de los datos de servicio, con los cuales debe trabajar la válvula. Dado que en la mayoría de los casos no se tiene a la mano ni una tabla ni un diagrama para el volumen específico del vapor de agua, se recurre a un cálculo según las fórmulas siguientes, en las cuales se trata el vapor de agua como un gas ideal, pero que proporciona un resultado lo suficientemente exacto. En el caso de un gradiente de presión subcrítico, o sea, si

según la fórmula

Kv G Q1 Q2 ∆p p1 p2 t1 t2 w1 w2 d1 d2

Coeficiente de flujo Caudal másico Caudal volumétrico delante de la válvula Caudal volumétrico detrás de la válvula Diferencia de presión (p1 - p2) Presión de entrada (abs.) Presión de salida (abs.) Temperatura de entrada Temperatura de salida Velocidad en la tubería delante de la válvula Velocidad en la tubería detrás de la válvula Diámetro de la tubería delante de la válvula Diámetro de la tubería detrás de la válvula

m³/h kg/h m³/h m³/h bar bar bar °C °C m/seg. m/seg. mm mm

Ejemplo: Se busca una válvula reductora de presión de acero inoxidable que reduzca 1100 kg/h de vapor saturado de 7 a 4 bares. El gradiente de presión es subcrítico, pues es

en el caso de un gradiente de presión supercritico, o sea, si

según la fórmula

La temperatura del vapor de agua en estado de saturación (vapor saturado) puede ser calculada aproximativamente según la fórmula

Dado que no concemos el volumen específico ni la temperatura, calculamos con la fórmula

Después de determinar la temperatura

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calculamos

Al valor Kv calculado de los datos de servicio le dotamos con un suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor Kvs que la válvula a elegir debería tener como mínimo. Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kvs = 1,3 x 12,9 = 16,8 m³/h Determinación del diámetro nominal Para mantener bajos las pérdidas de presión y los ruidos del servicio, no se deberían exceder determinadas velocidades de flujo en las tuberías. Si no existe ninguna especificación planificada, recomendamos » por el lado de succión de las bombas centrífugas » por el lado de succión de las bombas de pistón » por el lado de impulsión de la bomba

25 m/seg. 40 m/seg. 60 m/seg.

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Estos valores orientativos aproximados tienen validez para diámetros de tubería a partir de DN 80. Si los diámetros nominales son más pequeños, se deberían aplicar velocidades de flujo más pequeñas. Para determinar la velocidad de flujo se requiere el caudal volumétrico a condiciones de servicio. Éste puede ser calculado del siguiente modo:

Según esto, los caudales volumétricos en nuestro ejemplo delante y detrás de la válvula son:

Elija los materiales conforme a las exigencias operacionales y con la ayuda de la tabla de resistencias. Retornemos a nuestro ejemplo: En base a los datos de servicio habíamos determinado que el valor Kvs debería ser por lo menos 16,8 m³/h. Según nuestra tabla de elección, para ello tenemos a disposición varias series de válvulas. Nos decidimos por la válvula reductora de presión tipo 652 DN 50, valor Kvs 18 m³/h, margen de ajuste 2-5 bares. Esta válvula está fabricada de forma estándar de materiales que son muy adecuados para el caso individual. Además se caracteriza por una alta calidad de regulación, reducido peso, buena calidad de superficie y un precio extremadamente favorable para válvulas de acero inoxidable. Otro ejemplo: Se busca una válvula reductora de presión con la cual se pueda reducir 8 t/h de vapor sobrecalentado a 460 °C para soplar el hollín de una caldera de vapor de 100 bares a 20 bares. El gradiente de presión es supercrítico, pues es

El diámetro de la tubería puede ser calculado del siguiente modo: Dado que momentáneamente no conocemos el volumen específico, calculamos Si en nuestro ejemplo el planificador de la instalación sólo admite velocidades máximas de flujo de 25 m/seg., los diámetros de la tubería necesarios son: Al valor Kv calculado de los datos de servicio le dotamos con un suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor Kvs que la válvula a elegir debería tener como mínimo. Según esto, recomendaríamos la tubería DN 65 delante de la válvula y DN 80 detrás de la válvula. Si el diámetro nominal está predeterminado, la velocidad de flujo puede ser calculada del siguiente modo

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Elija el margen de ajuste de tal modo, que el valor nominal deseado esté en lo posible por el límite superior. Tome p. ej. para una presión a regular de 2,3 bares el margen de ajuste 0,8-2,5 bares y no el margen de ajuste 2-5 bares, en el cual las diferencias de regulación dependientes del servicio serían considerablemente más grandes. Si en casos especiales el margen de ajuste estándar no es lo sufientemente amplio, el margen de ajuste podrá ser inferior si el régimen de la válvula es pequeño y hay menos exigencias a la exactitud de regulación. Entonces, por ejemplo una válvula reductora de presión con el margen de ajuste 0,8-2,5 puede trabajar de un modo aún satisfactorio también a 0,5 bares.

Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 9,33 = 12,1 m³/h El caudal volumétrico bajo condiciones de servicio es

El diámetro de la tubería puede ser calculado del siguiente modo: En nuestro ejemplo tendríamos entonces las velocidades de circulación en la tubería y según ello, a una velocidad de flujo máxima admisible de 50 m/seg., el diámetro de la tubería como mínimo Bajo determinadas condiciones de servicio, el diámetro nominal de la válvula reguladora puede estar uno hasta dos niveles por debajo del diámetro nominal de la tubería delante de la válvula. Detrás de la válvula se ha de ampliar en varios niveles la tubería posiblemente – en función de la velocidad de flujo, lo cual se aplica, en particular, en las válvulas que trabajan con tubería de mando. Elección de una válvula adecuada Nuestras tablas de elección y hojas de tipos le conducirán a los datos técnicos de las válvulas MANKENBERG. El valor Kvs de la válvula elegida debería corresponder al valor Kv calculado y provisto de los suplementos necesarios. La mayoría de las válvulas trabajan mejor dentro del margen de 10 hasta 70 % de su valor Kvs; las válvulas pequeñas no descargadas – como p. ej. las válvulas reductoras de presión DM 152, 505 y 701 – trabajan también con caudales mínimos de una manera aún satisfactoria.

Según esto, recomendaríamos el diámetro nominal de la tubería DN 50 delante de la válvula y DN 100 detrás de la válvula. En base a los datos calculados y teniendo en cuenta las condiciones de servicio particulares, nos decidimos por la válvula reductora de presión de doble asiento DM 401 ZK DN 50/80, valor Kvs 16 m³/h, margen de ajuste 15-25 bares, con dispositivo de vaporización ajustable y asientos y conos blindados. Un modelo que se ha acreditado en muchos sistemas sopladores de hollín.