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 K

v

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 K

v

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 c

v

,

que equivale a un caudal de agua en galonesUS/min. a una presión

diferencial de 1 psi y una temperatura de 60 °F. K

v

y c

v

están

relacionados del siguiente modo K

v

= 0,86 x c

v

.

El valor K

vs

indicado en documentaciones técnicas es el valor K

v

previsto

para válvulas de una serie a la carrera nominal. En base al valor K

vs

, 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 K

v

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 K

v

Para el dimensionado o antes de elegir una válvula, se calcula

primeramente el valor K

v

partiendo de los datos de servicio, con los

cuales debe trabajar la válvula.

K

v

Coeficiente de flujo m³/h

Q Caudal volumétrico m³

Densidad kg/m³

p

1

Presión de entrada (abs.) bar

p

2

Presión de salida (abs.) bar

Δp Diferencia de presión (p

1

- p

2

) 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.

Al valor K

v

determinado de los datos de servicio le dotamos de un

suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor K

vs

que la válvula a

elegir debería tener como mínimo.

Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 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 2 m/seg.

» por el lado de succión de bombas de pistón 1 m/seg.

» por el lado de impulsión de la bomba 5 m/seg.

» en las redes locales de agua potable 1 m/seg.

» en tuberías a distancia de carburante y agua 3 m/seg.

» en el caso de líquidos altamente viscosos 1 m/seg.

El diámetro de la tubería puede ser calculado del siguiente modo

d Diámetro de la tubería mm

Q Caudal volumétrico m³/h

w Velocidad de flujo 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

En nuestro ejemplo tendríamos entonces en la tubería DN 40 a un

caudal de paso de 7 m³/h una velocidad de flujo de

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.

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 K

vs

de la válvula elegida debería corresponder al valor K

v

calculado y provisto de los suplementos necesarios. La mayoría de las

válvulas trabajan mejor dentro del margen de 10 hasta 70 % de su valor

K

vs

; 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.

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 K

vs

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 K

vs

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 K

vs

en función de los datos de servicio. A pesar de

que la presión diferencial (p

1

– p

2

) es 10 bares, sustituimos en el cálculo

sólo una presión diferencial de 0,6 x p

1

[bara], o sea 6,6 bares, debido a

la evaporación presentada en el asiento de la válvula.

Por tanto tenemos

Es decir, el valor K

vs

de la válvula debería ser por lo menos

1,3 x valor K

v

= 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 K

vs

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

La válvula debería tener entonces un valor K

vs

de por lo menos

1,3 x valor K

v

= 1,3 x 0,16 = 0,21 m³/h

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Nos decidimos por la válvula manorreductora DM 152 DN 25, valor K

vs

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 K

vs

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.

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.

Válvulas reguladoras de presión para gases

Determinación del valor K

v

Para el dimensionado o antes de elegir una válvula, se calcula

primeramente el valor K

v

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

según la fórmula

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

según la fórmula

K

v

Coeficiente de flujo m³/h

Q

N

Caudal volumétrico en estado normal m³/h

Q

1

Caudal volumétrico delante de la válvula m³/h

Q

2

Caudal volumétrico detrás de la válvula m³/h

N

Densidad en estado normal kg/m³

∆p Diferencia de presión (p

1

- p

2

) bar

p

1

Presión de entrada (abs.) bar

p

2

Presión de salida (abs.) bar

t

1

Temperatura de entrada °C

t

2

Temperatura de salida °C

w

1

Velocidad en la tubería delante de la válvula m/seg.

w

2

Velocidad en la tubería detrás de la válvula m/seg.

d

1

Diámetro de la tubería delante de la válvula mm

d

2

Diámetro de la tubería detrás de la válvula mm

Ejemplo:

Se busca una válvula reductora de presión de acero inoxidable para Q

N

máx. 1200 m³/h de CO

2

, 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 K

v

calculado de los datos de servicio le dotamos con un

suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor K

vs

que la válvula a

elegir debería tener como mínimo.

Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 1,3 x 11,54 = 15 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

» hasta 10 mbar 2 m/seg.

» hasta 100 mbar 4 m/seg.

» hasta 1 bar 10 m/seg.

» hasta 10 bares 20 m/seg.

» más de 10 bares 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:

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 K

vs

de la válvula elegida debería corresponder al valor K

v

calculado y provisto de los suplementos necesarios. La mayoría de las

válvulas trabajan mejor dentro del margen de 10 hasta 70 % de su valor

K

vs

; 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.

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 K

vs

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 K

vs

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.

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 K

v

calculado de los datos de servicio le dotamos con un

suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor K

vs

que la válvula a

elegir debería tener como mínimo.

Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 1,3 x 32,3 = 42 m³/h

El caudal volumétrico bajo condiciones de servicio es

y según ello, a una velocidad de circulación máxima admisible de 20

m/seg., el diámetro de la tubería como mínimo

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 K

vs

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 K

v

Para el dimensionado o antes de elegir una válvula, se calcula

primeramente el valor K

v

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

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

K

v

Coeficiente de flujo m³/h

G Caudal másico kg/h

Q

1

Caudal volumétrico delante de la válvula m³/h

Q

2

Caudal volumétrico detrás de la válvula m³/h

∆p Diferencia de presión (p

1

- p

2

) bar

p

1

Presión de entrada (abs.) bar

p

2

Presión de salida (abs.) bar

t

1

Temperatura de entrada °C

t

2

Temperatura de salida °C

w

1

Velocidad en la tubería delante de la válvula m/seg.

w

2

Velocidad en la tubería detrás de la válvula m/seg.

d

1

Diámetro de la tubería delante de la válvula mm

d

2

Diámetro de la tubería detrás de la válvula 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

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 K

v

calculado de los datos de servicio le dotamos con un

suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor K

vs

que la válvula a

elegir debería tener como mínimo.

Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

vs

= 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 25 m/seg.

» por el lado de succión de las bombas de pistón 40 m/seg.

» por el lado de impulsión de la bomba 60 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 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:

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 25 m/seg., los diámetros de la tubería

necesarios son:

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

En nuestro ejemplo tendríamos entonces las velocidades de circulación

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.

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 K

vs

de la válvula elegida debería corresponder al valor K

v

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.

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.

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 K

vs

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 K

vs

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

Dado que momentáneamente no conocemos el volumen específico,

calculamos

Al valor K

v

calculado de los datos de servicio le dotamos con un

suplemento del 30 % y con ello obtenemos el valor K

vs

que la válvula a

elegir debería tener como mínimo.

Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 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:

y según ello, a una velocidad de flujo máxima admisible de 50 m/seg., el

diámetro de la tubería como mínimo

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 K

vs

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.

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