Dimensionamiento de válvulas

Ing:Mario Pérez

Introducción

• La importancia de determinar el tamaño de una válvula radica en obtener un beneficio técnico-económico, ya que un subdimensionamiento trae por consecuencia mala operación del lazo de control y pérdidas en la producción, aunque sea el costo de la válvula menor.Por otro lado, un sobredimensionamiento produce una subutilización en el trabajo de la válvula, los asientos al trabajar muy pegados se deterioran con mayor rapidez,aumenta el costo de la válvula

Coeficiente de flujo de la válvula(Cv , Kv)

• Es un aspecto importante a tener en cuenta para seleccionar la válvula.

• Este coeficiente da un índice de capacidad, no solo en cuanto a tamaño, sino también por la cantidad de fluido que pasa por la válvula(2)

Definición de Cv

• Empleado inicialmente en Estados Unidos.• Caudal de agua en galones USA por minuto que pasa a

través de la válvula en posición completamente abierta y con una pérdida de carga de una libra por pulgada cuadrada(psi)

Definición de Kv

• Usado por los piases que emplean unidades métricas y la norma VDI/VDE 2173(septiembre 1962)

• Caudal de agua (de 5 a 30 °C)en m3/h que pasa a través de la válvula a una apertura dada y con una perdida de carga de 1 Kg/cm2

Equivalencia entre los coeficientes Cv y Kv

• Kv =0,86*Cv(m3/h)

• Cv =1,17*Kv(galones por minutos)

• La válvula se comporta esencialmente como un orificio de paso variable que permite la circulación de un cierto caudal con una determinada perdida de carga.Aplicando el teorema de Bernoulli(2) se obtiene la siguiente formula.

Kv=Q√(þ /p2-p1)m3/h

Q=caudal máximo, en m3/hþ=peso específico

p2-p1=diferencia de presión en los estremos de la válvula.

• De la formula anterior se puede observar como el coeficiente de la válvula depende del área de paso y de la resistencia al paso del fluido, es decir de la configuración hidráulica, del estado de las superficies interiores, del tipo de válvula,etc.

• Generalmente el fabricante en sus catálogos especifica las formulas de Cv o Kv, pero necesitamos conocer la caída de presión en la válvula .

• Para determinar la caída de presión en la válvula, necesitamos conocer el sistema Hidráulico y las perdidas que este provoca, estas perdidas están relacionadas con las propiedades de los fluidos

Propiedades de los fluidos

• Densidad.• Peso específico.• Viscosidad.• Flujo,caudal o gasto del fluido.• Velocidad media del fluido.• Regímenes del movimiento de los fluidos.

Densidad

• Es la masa de la unidad de volumen que ocupa un fluido

þ=m/v

m=masa

v=volumen especifico

Peso específico

• Es el peso de la unidad de volumen que ocupa un fluido

ß=þ/v=mg/v=þg

þ=densidad

g=Fuerza de gravedad

Viscosidad

• Al moverse un fluido, se originan fuerzas internas de rozamiento o fricción que ofrecen determinada resistencia al movimiento.Estas fuerzas actúan entre capas vecinas del fluido al desplazarse una respecto a la otra.

• La viscosidad de los fluidos es función,fundamentalmente de la temperatura.En los líquidos la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, y en los gases por el contrario aumenta.

• La viscosidad puede ser absoluta o cinemática.

Viscosidad

• Viscosidad absoluta (u)

centipoise=poise/100

poise=g/cmseg

• Viscosidad cinemática(v)

centistoke=stoke/100

stoke=cm2/seg

centistoke=mm2/seg

Flujo,caudal o gasto

• Cantidad del fluido que circula a través de un conducto por unidad de tiempo

Velocidad media del fluido

• Relación entre el gasto volumétrico y el área de la sección transversal.

V=Q/S

Q=Flujo m3/s

S=Area m

V=velocidad m/s

Regímenes del movimiento de los fluidos

• El investigador inglés Osborn Reynolds en 1833 clasificó el movimiento de los fluidos en tres regímenes.

• Laminar.• Transitorio.• Turbulento.

Régimen Laminar

• El fluido se mueve como capas o laminas paralelas entre si, en una misma dirección y sentido, también se denomina régimen viscoso.

Régimen turbulento

• Las partículas del fluido no se mueven en forma de capas paralelas, sino que se desplazan en diferentes direcciones, creando un estado de agitación o turbulencia al tiempo que la masa total del fluido se mueve en una dirección.

Régimen transitorio

• Se caracteriza porque el flujo en determinados instantes se comporta laminar y en otros manifiesta tendencias al movimiento turbulento.

Para caracterizar el régimen del movimiento se determina como numero de Reynolds

• Este es un numero adimensional.

Re=DVþ/u=DV/v*10^-6

V=velocidad del fluido----- m/s

D=diámetro del tubo------- m

v=viscosidad cinemática--- Cst(centistoke)

Valores de Re

• Re menor a 2100, comportamiento laminar• Re entre 2100 y menores que 10000 comportamiento

Transitorio.• Re mayores e iguales que 10000 comportamiento

Turbulento.

Perdidas total de energía del fluido

• Estas perdidas están condicionadas por la perdida de energía por rozamiento en las tuberías y la perdida de energía en los accesorios o resistencias locales.

• Para flujo laminar, el factor de fricción solo depende del numero de Reynolds.

f=64/Re.• Para flujo Transitorio y turbulento, el valor del factor de

fricción depende del numero de Reynolds y de la rugosidad interior de la tubería.

f=(Re,E/D)

Como determinar el coeficiente de rozamiento( f )

• Mediante gráfico de dependencia.• Mediante el empleo de ecuaciones apropiadas.

Para tuberías lisas con flujo entre Re(4000 a 10 000)

Para cualquier zona del régimen de flujo turbulento.

+−=

9.0

Re

81.6

7.3log2

1 D

E

f

:

+−=

9.0

Re

81.6

7.3log2

1 D

E

f

25.0Re316.0 −=f

Pérdidas de energía en los accesorios

• Las perdidas de energía en los accesorios se originan debido al cambio de valor en la velocidad del fluido, al cambio simultáneo de velocidad y dirección.

• La perdida total debida al conjunto de resistencias locales instaladas en un sistema hidráulico se puede calcular empleando el concepto de longitud equivalente del accesorio.

• Longitud equivalente:Longitud de tubería recta del mismo diámetro del accesorio que produce igual pérdida de energía que la producida por el accesorio

Ecuación de Darcy-Weisbach para la perdida total

• hp=f*(LV^2)/D2g m de columna del fluido

• Para calcular la perdida de presión.

• p2-p1=þghp

Bibliografia

• 1 Ing:Fernando Iniesta Landrove. Componentes de automatización.• 2 Instrumentación Industrial.

Segunda parte.• 3 George Granger Brown.

Operaciones básicas de la Ingeniería Química.• 4 Victor L Streeter.

Mecánica de los fluidos.

• 5 Basilio Bychó.

Procesos Químicos y Termoenergeticos.Dinámica y Control

Ing:Mario Perez

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