INFORME VÁLVULAS Andrés Forero. Álvaro Herazo. Laura Suárez.
1. OBJETIVOS
Observar experimentalmente el comportamiento de una válvula de control, realizando variaciones en la apertura de ésta. Calcular el Cg de una válvula neumática. Determinar la propiedad de histéresis en la válvula dada, mediante los datos experimentales.
2. INTRODUCCIÓN La mayoría de procesos a nivel industrial, requieren un control constante de variables, ya sea con el fin de garantizar las condiciones óptimas del producto deseado o por razones de seguridad. Para realizar éste tipo de control, se encuentran varios instrumentos, los cuales unidos entre sí, mediante un lazo, permiten controlar un proceso. Uno de éstos instrumentos son las válvulas de control, las cuales hacen parte de los elementos finales de control, permitiendo regular el caudal de un fluido de proceso de acuerdo a una señal, para que el sistema se mantenga en equilibrio. 3. MARCO TEÓRICO Los componentes de un lazo de control por retroalimentación son además del proceso, el sensor/transmisor de la variable de proceso, el controlador y el elemento de control final. Este último es un dispositivo construido para que ejecute la acción ordenada por el controlador y, según algunas características del proceso como el estado de los materiales que se manejan, se utilizan diferentes mecanismos como un motor eléctrico o una válvula automática de control.
Figura 1. Válvula de control neumática.
La figura 1 muestra un esquema simplificado de una válvula de control neumática donde se aprecia que es un mecanismo formado, esencialmente, de un bloque, un resorte de constante de elasticidad de Hooke, y un mecanismo de amortiguación viscoso desarrollado entre la masa que se mueve y el fluido que atraviesa la válvula. Esquemáticamente, una válvula de control se describe como un mecanismo compuesto de dos partes denominadas, el actuador y el cuerpo de la válvula. El actuador es la parte superior o carcasa que encierra al diafragma y el resorte adjunto, con el diafragma conectado al vástago. El cuerpo de la válvula o asiento es el bloque a través del cual se mueve el líquido desde la entrada hasta la salida con un flujo que depende del tamaño de la abertura permitido por el vástago y su plomada, cuando se produce un cambio en la presión sobre el área diafragmática, el vástago se desliza junto con la plomada ensamblada en su extremo y se efectúa un cambio en el tamaño de la abertura a través de la cual se permite el paso de un fluido desde la entrada hasta la salida de la válvula. Es decir, la magnitud del flujo del fluido a través de la válvula depende de la fracción de la abertura total disponible. El tamaño de una válvula de control se especifica por la capacidad del flujo de fluido que permite a través de la abertura del asiento en el cuerpo de la válvula. Una válvula de control es simplemente, un orificio con área de flujo variable, los principios básicos que regulan el flujo a través de un orificio facilitan las fórmulas para calcular el flujo de fluido a través de una válvula de control. Estas ecuaciones han sido deducidas según que el fluido se encuentre en fase líquida o vapor y se conocen procedimientos para el cálculo del flujo cuando se tiene una mezcla bifásica de líquido y vapor. El flujo de una corriente líquida a través de una válvula de control se calcula con la siguiente ecuación
Siendo f, el flujo de líquido, ∆Ps, la caída de presión a través de la válvula, Gf, la gravedad específica del líquido a las condiciones del flujo y Cv, el factor de capacidad o coeficiente de la válvula. [1]
4. DATOS EXPERIMENTALES Tabla 1. Flujo y % de apertura ascendente. Apertura % 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100
caudal L/min 4,9 5 5,5 6,3 7,7 13,5 17,4 18,7 19,2 19,8 20,1 20,2 20,3
Tabla 2. Flujo y % de apertura descendente. Apertura % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 15 10 5 0
caudal L/min 20,7 20,5 20,4 20,2 19,8 19,3 18,2 16,1 11,7 9 7,1 6,4 4,9
Tabla 3. Presión antes y después de la válvula Presion PSI entrada 26 26
Apertura 100% 0%
salida 25,8 25,4
El flujo para un porcentaje del 100% fue de 20.4 L/min 5. MODELO DE CÁLCULO [2]
El coeficiente de caudal es un factor calculado a partir del caudal del fluido que circula a través de un componente neumático, la forma para calcular dicho coeficiente varía de acuerdo al estado de agregación del fluido, en esta práctica se trabajó con un fluido gaseoso, por lo tanto la manera de estimar el es: √
√
Donde : Flujo volumétrico (ft3/h) : Gravedad específica : Temperatura absoluta del fluido (K) : Presión de entrada (psia) : Presión de salida (psia) : Caída de presión
6. RESULTADOS El cálculo de Cg se realizará para una apertura del 100% para así garantizar el caudal máximo del flujo en curso y de esta forma asegurar que la válvula posee una capacidad de regulación y rangeabilidad adecuada.
% Apertura sg 100 1
Tabla 4. Datos y Cg para la válvula neumática. T(K) Pinlet(psia) Poutlet(psia) ΔP Q (ft3/h) 298.15 40.7 40.5 0.2 43.0132644
Cg 0.19164738
25
Caudal (L/min)
20
15
10
5
0 0
20
40
60
80
100
120
% de apertura
Figura 2. Caudal vs Porcentaje de apertura
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En la figura 2, se observa que los flujos obtenidos para los porcentajes de apertura de la válvula, varían cuando éstos se realizan de manera ascendente o descendente, por lo cual la válvula presenta histéresis y para cada porcentaje de apertura, es posible encontrar dos puntos de flujo, los cuales difieren poco entre sí. En la tabla 3, se observa que la caída de presión en la válvula es pequeña, es de aclarar que el medidor de presión en la entrada válvula, se encontraba un poco retirado de esta, por lo cual también se debe considerar pérdidas de presión en el tramo de tubería desde ese manómetro hasta llegar a la entrada de la válvula, lo cual quiere decir que la caída de presión en ésta es bastante despreciable. Para la válvula neumática se obtuvo un Cg de 0.19164738, lo cual indica que ésta permite un flujo de 0.19164738 gpm de aire con una caída de presión menor a 1 psi.
8. CONCLUSIONES Al tener un instrumento, ya sea de medición, o de control, es importante evaluar sus características, con el fin de conocer su correcto uso. Si se trata de un elemento de medición, es importante conocer la presencia o no de histéresis y la precisión y exactitud de las medidas dadas. Para un elemento de control como es el caso de las válvulas de control, además de éstos aspectos, también es importante saber la caída de presión que hay en éstas, y la capacidad de la válvula, es decir, Cv o Cg dependiendo del fluido que se tenga, el cual es sumamente importante puesto que
con dicho valor es posible realizar el dimensionamiento respectivo de estos instrumentos, permitiendo seleccionar una válvula que sea lo suficientemente grande o adecuada para el proceso que se lleve a cabo. 9. REFERENCIAS [1] Melanio A. Coronado H. simulación y control de http://www.galeon.com/ingprocesos/
I.Q., Ingeniería química procesos,(2012) consultado
Modelamiento, en linea,
[2]. Flow Coefficients and Computations, Dia-Flo® Diaphragm Valves Technical Data. [En línea]. . Consultado el 06 de febrero de 2013