VÁLVULAS DE CONTROL

VÁLVULAS DE CONTROL

BUCLES DE CONTROL

VÁLVULAS DE 2- vías

Característica de la válvula de control

La característica estática de una válvula de control se define como la relación entre el caudal que circula Q y la posición del actuador ( normalmente la elevación del vástago de la válvula), ambas expresadas de forma relativa ( % de su valor máximo).

Para una válvula lineal el caudal Q(%) es proporcional a la elevación L(%) de la válvula.

Como se vio los intercambiadores no tienen una relación lineal P(Q) entre el caudal que circula por ellos Q y la potencia que transmiten P. Por ello si queremos una relación lineal final entre la potencia emitida y el levantamiento de la válvula se debe elegir una característica de la válvula Q(L) que “compense” la característica de emisión del intercambiador como muestra la figura:

Así si se combinan ambas P(Q(L)) =P(L) se puede expresar Potencia%(Elevación de la válvula).

Que es una relación aproximadamente proporcional y permite un control sencillo.

La característica no-lineal de la válvula de la figura se llama de igual porcentaje (EQ%) y suele ser la más utilizada. Corresponde a una ecuación como sigue.

dónde a suele valer entre a=3.22 y a=3.5 y la elevación es en tanto por uno [0,1].

Cuando la elevación es 0 (0% abierta=cerrada), se observa que el Kv no es nulo, queda un flujo residual.

de modo que cuando el caudal es ( en la realidad) un 4% del caudal máximo (Kvs) la válvula es incapaz de regular el caudal.

Lo ideal sería tener una válvula con la inversa de la característica del intercambiador. Algunos fabricantes dicen tener dichas válvulas. Las características son:

La gráfica siguiente muestra la comparación entre ellas ( Rojo- EQ %(igual porcentaje) ,azul-EQM(%) (igual porcentaje modificada) , negro-Cysseau&)

Se observa que la diferencia está en caudales por debajo del 4% del máximo.

AUTORIDAD DE LA VÁLVULA DE CONTROL

Definición convencional de autoridad de una válvula

La característica estática de una válvula se define para una presión diferencial (salto de presión estática) a través de la válvula constante.

Normalmente , en las instalaciones , esto no es cierto y la característica de control de la válvula cambia y no es la teórica que se ha visto en el punto anterior.

Cuando la válvula está totalmente abierta, está sometida a la presión diferencial mínima Pmin, que es igual a toda la presión disponible menos las caídas de presión en el terminal, las tuberías y otros accesorios.

Cuando la válvula está cerrada, la caída de presión en el resto de elementos es despreciable y el flujo tiende a cero. Toda la presión diferencial disponible la soporta la válvula de control Pmax.

(ver figura)

La válvula se dimensiona para Pmin , ya que es la presión diferencial disponible para generar el flujo máximo de diseño cuando la válvula está totalmente abierta.

Cuando la válvula está próxima a cerrar, al estar sometida a una presión mayor que la de diseño (Pmin Pmax) y por lo tanto pasará más caudal que el que le corresponde para ese grado de apertura si la presión diferencial se hubiera mantenido en Pmin. Como resultado la característica estática de la válvula es distorsionada. El grado de distorsión (forma de la característica) lo indica el parámetro , llamado autoridad de la válvula.

ATENCIÓN: esta definición es “relativa”, ya que mide el salto en la válvula de control respecto del salto total. Si aumenta el salto total Pmax el salto mínimo Pmin aumenta en la misma proporción y por lo tanto la autoridad es la misma.

Si Pmax no cambia y ponemos una válvula más grande Pmin es menor y la válvula pierde autoridad. El control de la emisión calor ( frío) se pierde a cargas bajas.

La afirmación. “Una válvula grande tiene siempre baja autoridad”, no siempre es cierta.

Por este motivo se debe analizar la autoridad y el tamaño de la válvula de forma independiente.

La figura siguiente muestra la distorsión de la característica de una válvula lineal en función de su autoridad.

La siguiente muestra la distorsión de una válvula de EQM%.

En el caso lineal EL%, un 10% de levantamiento de la válvula deja pasar un 30% del caudal de diseño. Si el elemento terminal es un ventilo-convector (fan-coil) para calefacción con un salto de 10[K], este caudal del 30% emite el 80% de la potencia del terminal.

Esto anula la posibilidad de control.

Esto es incluso peor si, para la misma autoridad , la válvula está sobredimensionada. ( No controlamos y además el caudal es mayor, de modo que se emite más del 80%).

Un mínimo de autoridad de =0.5 es aceptable ya que no deforma mucho la forma de la característica teórica de la válvula. En otras palabras la caída de presión en la válvula de control totalmente abierta y con el caudal de diseño, debe ser igual (al menos) a toda la caída de presión disponible. O de otro modo, la caída de presión en la válvula debe ser igual a la caída en todos los elementos pasivos de la rama cuyo caudal, la válvula debe controlar.

La figura siguiente resume lo anterior en un solo gráfico.

ATENCIÓN: Observa que el valor del caudal de diseño NO aparece en la definición de autoridad de la válvula de control.

La gráfica siguiente muestra qué ocurre cuando la presión total disponible aumenta y el caudal que circula por la rama es mayor que el caudal de diseño ( desbordamiento de la rama).

La autoridad  no cambia, aunque la presión diferencial disponible Pmax aumente sin embargo, la característica estática de la válvula SI ha cambiado.

Así la autoridad definida antes no es suficiente relacionarla con la forma de la característica estática de la válvula en la instalación. Por ello se define otra ’ (propuesta por Petitjean).

Autoridad práctica de una válvula de control ’

Parece que una forma más coherente de definir la autoridad sería:

En la figura anterior se ve que ’sí tiene en cuenta el aumento de la presión diferencial disponible ( lo cual hace disminuir el valor de ’, mientras que  se queda igual).

Cuando existe desbordamiento del ramal ambas autoridades están relacionadas por:

El valor mínimo de esta autoridad es 0.25 referido a la altura de la bomba que alimenta el ramal.

NOTA: Cuando el ramal está desbordado y se pone una válvula de equilibrado, la característica de la válvula , cambia de nuevo, pero suele ser de menor entidad, de modo que no suele hacer falta una comprobación adicional.

Algunos criterios para dimensionar las válvulas de control

Cuando la válvula de control está casi cerrada, el caudal es muy bajo y TODA la presión diferencial disponible se aplica sobre esta válvula y el control se hace difícil.

Supón que la válvula de control se diseña para una caída de presión que es 4% de la altura de la bomba. Si el caudal total de la planta es bajo (la demanda global es baja), la válvula puede llegar a soportar en el límite el 100% de la presión (esto es 25 veces más que su diseño) ya que la altura de la bomba no se pierde en las conducciones. Para la misma apertura, el flujo del ramal con la válvula se multiplica (en el límite) por 25=5 y por lo tanto se fuerza a la válvula a cerrar. Regula mal y actúa prácticamente TODO-NADA y hace ruidos.

Por esta razón se recomienda que la válvula de control pierda el 25% de la altura de la bomba, en el diseño de plantas. En este caso (a baja carga de la planta) el desbordamiento que se genera en el ramal con la válvula de control no supera un factor de 2 ( en lugar de 5).

Problemas de esta recomendación:

- difícil encontrar válvulas que soporten tanta presión diferencial sin hacer ruido.

- Difícil encontrar válvulas pequeñas cuando los terminales son pequeños. Mejor usar bombas secundarias o controles de presión diferencial

Así las condiciones de diseño son:

(A) Con la planta en funcionamiento normal: el caudal que circula por cada rama con la válvula de control totalmente abierta

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