Significado práctico del ratio de ajuste de las válvulas de regulación en el diseño de ingeniería
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La relación de ajuste del válvula de regulación es fácil de explicar: se trata de la relación entre el caudal máximo y el caudal mínimo que puede controlar la válvula. Cuanto mayor sea este valor, mayor será su capacidad de regulación. En Internet también se puede encontrar que “cuando la diferencia de presión sobre la válvula de regulación es constante, el coeficiente de ajuste se denomina coeficiente de ajuste ideal. El coeficiente de ajuste ideal equivale a la relación entre el coeficiente de caudal máximo y el coeficiente de caudal mínimo”. Entonces, ¿qué significa el coeficiente de caudal máximo? ¿Se refiere al coeficiente de caudal cuando se cumplen las condiciones del proceso y se alcanza el caudal máximo, o bien al coeficiente de caudal cuando la válvula está completamente abierta, es decir, el coeficiente de caudal nominal? O bien, se trata del coeficiente de caudal mencionado anteriormente en relación con “el caudal máximo que se puede controlar”. Pero, ¿de dónde proviene ese “valor del caudal máximo que se puede controlar”? ¿Se calcula o se mide? Además, en el diseño real de proyectos, desde las especificaciones de las válvulas de regulación proporcionadas por las empresas de ingeniería, pasando por los cálculos realizados por los fabricantes de válvulas, hasta las muestras que ofrecen estos mismos fabricantes, parece que nunca se menciona este valor de relación de regulación R. ¿Cuál es entonces el significado práctico de este dato?
Este problema no se puede explicar en pocas palabras. Puede consultar el proceso de cálculo del coeficiente de caudal; el proceso ya indica el caudal máximo y mínimo. Lo importante es que la capacidad de ajuste de la válvula de control sea suficiente para satisfacer los requisitos del proceso. El rango de ajuste representa el intervalo de regulación de la válvula de control, y funciona de manera similar al rango de medición de algunos instrumentos. Puedes echar un buen vistazo a la información al respecto, y entonces entenderás el motivo.
Por lo general, el fabricante te indicará el R ideal de la válvula: 30 o 50. Pero en la práctica, este valor es mucho menor, ya que está relacionado con el S; por eso, al fabricante le resulta difícil calcular el R real. Si S es de 0,3-0,5, entonces R será de 5,5-7. Se puede observar que el R real suele estar alrededor de 10. ¿Lo entiendes?
Las válvulas de regulación tienen dos características básicas en cuanto al caudal: la característica de caudal lineal, donde el coeficiente de caudal está relacionado con el rango de ajuste; y la característica de caudal porcentual, donde Ф=Ф0Rh (2). En esta ecuación, Ф representa el coeficiente de caudal correspondiente a un determinado grado de apertura； R es la relación ajustable ； h es la apertura relativa ； F0 es el coeficiente de caudal cuando h=0. Según la interpretación tradicional, el coeficiente de ajuste R se refiere a la relación entre el caudal máximo que puede controlarse y el coeficiente de caudal del válvula de regulación. En el diseño de las válvulas de regulación, es necesario establecer primero un valor para R; posteriormente, se calcula el coeficiente de caudal Ф para cada grado de apertura. Estos valores sirven como base para diseñar la curva del elemento móvil de la válvula y las dimensiones de su estructura. Las dos normalizaciones del sector de válvulas de regulación en el país se llevaron a cabo bajo la premisa de establecer R=30, y se calcularon los valores teóricos del coeficiente de caudal correspondiente a cada posición de apertura (ver Tabla 1). Tabla 1: Coeficiente de caudal Ф para diferentes ángulos de apertura del válvula de regulación, cuando R=30. Características de caudal Ф0 y valores de Ф para diferentes ángulos de apertura: 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0.
**Característica lineal**: 3.33, 13.00, 22.67, 32.33, 42.00, 51.67, 61.33, 71.00, 80.67, 90.33, 100.00.
**Característica porcentual**: 3.33, 4.68, 6.58, 9.25, 12.99, 18.26, 25.65, 36.05, 50.65, 71.17, 100.00.
Desde el punto de vista de la aplicación, se desea que el factor de amplificación KD de la válvula de regulación sea lo más alto posible. El valor de KD está relacionado con el ratio de regulación R.
**Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal y el ratio de regulación en válvulas con característica lineal – Fórmula 4**.
**Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal y el ratio de regulación en válvulas con característica porcentual – Fórmula 5**.
Donde L representa el ángulo máximo de apertura de la válvula. Se puede observar que, al aumentar el valor de KD, también debe aumentar el valor de R. Por lo tanto, las fábricas indican que un valor de relación ajustable superior a cierto umbral constituye un indicador de rendimiento. Pero cuanto mayor es el valor R de la válvula de regulación, mayor es la dificultad en su diseño y fabricación. En las válvulas de control de una o dos posiciones, si el valor de R es demasiado alto, durante su fabricación puede ocurrir un fenómeno de cortes en la parte del elemento de la válvula que se encuentra en un rango de apertura del 90% al 100% ； En el caso de las válvulas de regulación de manguito, si el valor de R es demasiado alto, no será posible fabricarlas en un rango de apertura del 90 % al 100 %, debido a que el tamaño de la ventana resultaría excesivo. Todo esto limita el aumento del valor R. La fábrica diseña y fabrica los válvulas de regulación bajo la premisa de que R=30. Sin embargo, aún no se ha prestado atención a cuestiones como cuál es el valor real de R en estas válvulas, ni a la diferencia que existe entre ese valor y R=30. Dado que los diseñadores comprenden el valor de R únicamente como la relación entre Qmax y Qmin, y dado que Qmin es solo un valor teórico que no puede medirse, se considera que la relación real ajustable tampoco puede calcularse. En la información disponible hasta el momento sobre válvulas de regulación, aún no se ha encontrado ninguna explicación al respecto. En las normas nacionales e internacionales para válvulas de regulación, tampoco se establecen métodos para la medición, cálculo y evaluación del valor R. Esto se debe a una comprensión unilateral del concepto de relación de ajuste; ahora es necesario profundizar en el estudio y la investigación, partiendo de la relación entre la relación de ajuste y el coeficiente de caudal. 1. Relación entre la válvula comparable y la curva de características de caudal. Según la fórmula para calcular el coeficiente de caudal, el valor de R depende de ciertos factores; no obstante, es él quien determina el valor del coeficiente de caudal en cualquier posición relativa de la válvula. Por lo tanto, esto tiene una gran importancia práctica, tanto desde el punto de vista del diseño, fabricación y aplicación de las válvulas de regulación. Porque ninguna válvula de regulación puede funcionar con su apertura mínima, es decir, no opera a su valor Qmin. En la mayoría de los casos, se utiliza para controlar el caudal a una determinada apertura (generalmente entre el 20 % y el 80 % del rango total de apertura). En este momento, el valor del coeficiente de caudal del válvula de regulación determina el grado de apertura de dicha válvula. La variación del coeficiente de caudal en función del recorrido que realiza la válvula determina el factor de amplificación de la misma. Todo esto está relacionado con el valor R. Por lo tanto, no se puede entender el valor de R simplemente a partir de la relación entre Qmax y Qmin. En lugar de eso, el valor de R debe considerarse como un parámetro característico de toda la curva de características de caudal. Según las ecuaciones (1) y (2), así como las ecuaciones (3) y (4), se puede observar que los cambios en el valor de R tienen poco impacto en las características de caudal lineal. En particular, cuando R > 1, tanto Ф como KD no dependen del valor de R ； La influencia de la propiedad de percentil equivalente es considerable; por lo tanto, en este artículo, el impacto de los valores en el coeficiente de flujo se analiza únicamente en el contexto de la propiedad de percentil equivalente. Cuando el valor de R se considera como un parámetro característico de la curva de caudal, se puede pensar en la curva de caudal correspondiente a todo el recorrido como una combinación de varias curvas de caudal, cada una determinada por un valor diferente de R. Entre un 0% y un 80% de apertura, el valor de R es algo mayor. Esto permite que la válvula de control tenga un valor de R suficiente dentro del rango de funcionamiento, es decir, que cuente con un factor de amplificación adecuado. En el rango de apertura del 80 % al 100 %, el valor de R es más bajo, lo que facilita la fabricación de la válvula de control, ya que permite obtener fácilmente la curva del elemento móvil y las aberturas en el manguito. Aumentar el valor de R a altos niveles de operación también puede ser una forma de explorar formas de mejorar la capacidad de flujo en el diseño de válvulas de control. La idea de utilizar valores diferentes de R para cada segmento ya se ha reflejado en la norma IEC534—2—4 (proyecto) y en algunas tablas de coeficientes de caudal para válvulas de control en otros países. En este caso, el concepto de relación de ajuste ya no significa la relación entre Qmax y Qmin; más bien, debe considerarse como un parámetro característico de la curva de características de caudal, que debe ser estudiado. Método de cálculo del valor R: El valor R, que representa el rango real de ajuste de la válvula reguladora, puede calcularse. Según la fórmula (2), se puede deducir que lnФ = lnФ0 + h·lnR. En el sistema de coordenadas lnФ-h, la curva de características de caudal porcentual constante es una línea recta; el valor R determina, en realidad, la pendiente de dicha línea. Al medir en la práctica las características de caudal de una válvula de regulación, se obtienen varios conjuntos de datos (Ф, h). Debido a los errores de fabricación y de medición, estos valores se distribuyen de manera aproximadamente lineal en el sistema de coordenadas lnФ—h. Se considera que esta línea recta aproximada representa la verdadera curva de características de caudal de dicha válvula de regulación. Para obtener una línea de este tipo y que esté lo más cerca posible de esos puntos en el sistema de coordenadas, se recomienda utilizar el método de los mínimos cuadrados. Al medir el coeficiente de caudal de una válvula de regulación en diferentes posiciones de apertura, se obtienen un conjunto de datos que relacionan el recorrido relativo con el coeficiente de caudal. Estos datos se utilizan en la fórmula (6) para obtener un sistema de ecuaciones. En el estudio de la relación entre el coeficiente de caudal de la válvula de regulación y su rango de ajuste, se utiliza la fórmula 7. En ella, Ф0 y R representan los valores reales de la válvula de regulación; estos valores pueden determinarse mediante el método de mínimos cuadrados a partir del sistema de ecuaciones (7). En general, se realizan mediciones en 10 diferentes posiciones de apertura, es decir, hi toma los valores 0.1, 0.2, 0.3, …, 1.0. En este caso, K=10. Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal de la válvula de regulación y su rango de ajuste: ecuación 1 = 5.5 ； Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal del válvula de regulación y su rango de ajuste: La fórmula 2 es igual a 3,85. Al sustituir este valor en la fórmula (8), se obtiene la fórmula 9. Al introducir el coeficiente de caudal medido, Fi, en la fórmula (9), se puede determinar el valor real del rango de ajuste R de dicha válvula de regulación. Si se sustituyen los valores teóricos del coeficiente de caudal porcentual que se indican en la Tabla 1 en la fórmula (9), se puede calcular que R=30. Según la ecuación (9), se obtiene el ratio de ajuste para todo el rango de funcionamiento del válvula de control. Para conocer con precisión el ratio de ajuste en las diferentes condiciones de operación de la válvula, se pueden tomar valores para hi de 0.2, 0.3, …, 0.8. Es decir, k=7. Según las ecuaciones 3 y 4, los coeficientes de caudal de la válvula de control en función del ratio de ajuste son 3.5 y 2.03, respectivamente. Con esto, se puede utilizar la fórmula 10 para calcular los valores de R correspondientes a los diferentes rangos de apertura del 20% al 80%. De manera similar, al sustituir los valores teóricos de la Tabla 1 en la ecuación (10), también se puede calcular que R=30. Dado que en las ecuaciones (9) y (10) el valor de Ф se presenta siempre en forma de razón, los resultados obtenidos al utilizar el coeficiente de caudal absoluto o el coeficiente de caudal relativo son iguales. Por lo tanto, es muy conveniente utilizarlo para calcular el valor de R. De manera similar, cuando es necesario calcular los valores de la curva de características de caudal para cualquier intervalo, se pueden derivar las fórmulas de cálculo correspondientes. 3. Comparación de los valores R de algunos válvulas de regulación nacionales e internacionales. Según la ecuación (9), se calcularon los valores R correspondientes utilizando válvulas de regulación de dos asientos diseñadas de forma uniforme en el país, así como válvulas de tipo manguito diseñadas conjuntamente. También se utilizó el coeficiente de caudal de las válvulas de tipo manguito modelo ED de la empresa Fisher. Los resultados se presentan en las tablas 2 a 4. Como se puede observar en la tabla, aunque las válvulas de regulación de dos asientos y las válvulas de regulación de tipo manguito tienen un valor R=30 establecido de antemano en su diseño, el valor R de las válvulas de regulación fabricadas en la práctica varía según sus especificaciones. **Tabla 2**: Valores del coeficiente de caudal Ф y del índice de ajuste R para válvulas de control de dos asientos. Diámetro nominal DN×dN. Valores de Ф para diferentes grados de apertura; índice de ajuste R.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
25 2,65 4,57 7,84 12,76 17,96 25,04 35,00 49,11 74,53 103,39 51,5
32 3,09 6,30 9,90 13,99 18,90 24,60 30,10 42,80 74,40 100,00 34,6
40 7,44 10,28 11,52 13,22 16,88 21,92 28,82 52,84 78,92 92,00 17,4
50 7,68 11,89 14,90 18,40 22,90 29,50 37,80 53,50 70,40 98,20 14,6
65 3,95 7,72 11,36 15,53 20,20 26,56 36,51 50,77 77,53 99,58 28,9
80 3,34 7,64 10,49 14,63 19,85 28,00 37,75 50,28 75,49 97,25 32,4
100 4,70 7,68 10,32 14,20 18,81 27,35 37,02 52,82 72,39 97,60 27,1
125 4,14 6,49 9,47 12,89 19,37 27,61 37,34 51,88 66,66 103,63 32,3
150 2,55 5,70 8,50 12,42 18,17 25,45 34,98 48,48 76,74 96,81 45,7
200 12,20 16,10 20,10 25,10 32,00 46,50 75,80 100,50 20,0
**Tabla 3**: Valores del coeficiente de caudal Ф y del índice de ajuste R para válvulas de control de tipo cilindro. Diámetro nominal DN×dN. Valores de Ф para diferentes grados de apertura; índice de ajuste R.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
25 4,10 7,90 12,10 16,50 20,40 29,60 42,20 61,00 81,50 103,00 30,9
40 C=16 2,12 6,06 10,00 14,31 18,75 24,75 34,50 51,06 73,75 96,88 45,3
60 C=25 6,54 9,12 11,76 14,84 20,24 28,16 38,60 56,00 78,00 99,20 21,3
50 3,10 6,45 9,90 15,05 22,48 32,50 46,50 67,50 90,50 97,75 45,2
65 3,25 6,83 10,24 14,63 20,63 27,46 40,32 58,73 86,35 107,94 41,2
80 4,20 7,67 11,10 14,97 21,05 29,70 40,60 60,50 80,10 92,60 29,9
100 3,57 7,37 11,03 15,21 21,80 30,39 44,13 64,90 82,06 93,23 34,9
125 C=250 3,69 7,00 10,80 15,24 21,20 29,80 41,60 59,60 87,60 102,80 36,9
125 C=370 3,34 7,14 10,84 15,19 21,89 31,62 45,95 65,41 82,43 93,24 37,5
200 3,17 6,90 10,79 15,66 22,41 31,90 42,76 60,34 81,21 96,03 37,8
300 3,31 6,92 10,54 14,54 20,23 28,62 43,85 64,23 82,31 94,08 38,3
**Tabla 4**: Valores del coeficiente de caudal Ф y del índice de ajuste R para válvulas de control modelo ED de la marca Fisher. Diámetro nominal DN×dN. Valores de Ф para diferentes grados de apertura; índice de ajuste R.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
1*1/4×1*5/16 0,783 1,54 2,20 2,89 4,21 5,76 7,83 10,9 14,1 17,2 27,4
1*1/2×1*7/8 1,52 2,63 3,87 5,41 7,45 11,2 17,4 24,5 30,8 35,8 36,3
2×2*5/16 1,66 2,93 4,66 6,98 10,8 16,5 25,4 37,3 50,7 59,7 57,6
2*1/2×2*7/8 3,43 7,13 10,8 15,1 22,4 33,7 49,2 71,1 89,5 99,4 41,3
3×3*7/16 4,32 7,53 10,9 17,1 27,2 43,5 66,0 97,0 120 136 54,2
4×4*3/8 5,85 11,6 18,3 30,2 49,7 79,7 125 171 205 224 64,8
6×7 12,9 25,8 43,3 67,4 104 162 239 316 368 394 47,1
8×8L=2 18,5 38,0 58,4 86,7 130 189 268 371 476 567 41,9
8×8L=3 27,0 58,1 105 188 307 478 605 695 761 818 43,1
Al comparar los valores de R en las Tablas 2 y 3, se observa que en las válvulas de control de dos asientos, los valores de R varían considerablemente según el tamaño de la válvula. En cambio, en las válvulas de control de tipo cilindro, los valores de R varían poco entre los diferentes tamaños. Esto se corresponde con el hecho de que, en el diseño de las dos tipos de válvulas, se utilizan diferentes criterios para determinar los errores en las características de caudal. En el caso de las válvulas de control de doble asiento, el rango de desviación para cada valor de caudal se establece en un 10% del valor máximo de caudal. Por su parte, las válvulas de manga utilizan el método de pendiente establecido en las normas internacionales IEC para calcular las desviaciones en las características de caudal. Obviamente, el segundo método permite garantizar que el valor de R cumpla con los requisitos del diseño, lo cual demuestra la superioridad del método de pendiente establecido por las normas IEC. Según las tablas 2, 3 y 4, también se puede observar que el valor R de las válvulas de regulación fabricadas en el país es menor que el de las válvulas de regulación importadas. El valor promedio de R para las válvulas de dos asientos producidas localmente es de 30,5, mientras que el valor promedio de R para las válvulas de tipo “sleeve” es de 36,2 ； El valor promedio de la válvula de manguito tipo ED de la empresa Fisher es 45,9. A continuación, se calcula el valor de R para las válvulas de tipo “sleeve” nacionales y para las válvulas de tipo ED de la empresa Fisher, en el rango de movimiento del émbolo (h=0.2~0.8), utilizando la ecuación (10). Estos valores se comparan con los valores de R obtenidos durante todo el recorrido del émbolo. Los resultados se presentan en las tablas 5 y 6. Se puede observar que el valor de R en la fase de movimiento del válvula fabricada en el país es similar al valor de R en todo el recorrido de movimiento; no hay cambios significativos. El valor promedio de R es de 34.2. En cambio, en el caso de las válvulas fabricadas por Fisher, el valor de R en la fase de movimiento es claramente mayor que el valor de R en todo el recorrido de movimiento. El valor promedio de R es de 60.5. El aumento del valor de R en las etapas de funcionamiento del sistema tiene como ventaja el hecho de que permite satisfacer mejor las necesidades del sistema de control automático. Además, aumenta el coeficiente de caudal cuando la válvula está abierta en un 80%, lo que a su vez mejora significativamente la capacidad de flujo de la válvula cuando está completamente abierta. A través del análisis y comparación de los valores R, se demuestra que existe una cierta diferencia en el nivel de diseño de las válvulas de regulación entre los países. **Tabla 5: Valores de R para las válvulas de control de tipo manguito fabricadas en el país**
**Intervalos de recorrido de la válvula:**
Valores de R para cada especificación de la válvula de manguito:
Promedio de R: 20, 40
C=16: 40; C=25: 50, 65, 80, 100, 125
C=250: 125; C=370: 200, 300
Recorrido total: 30.9, 45.3, 21.3, 45.2, 41.2, 29.9, 34.9, 36.9, 37.5, 37.8, 38.3, 36.2
h=0.2~0.8: 26.9, 28.9, 20.5, 49.2, 33.4, 29.5, 35.4, 33.0, 39.2, 35.2, 38.4, 34.2
**Tabla 6: Valores de R para las válvulas de manguito de la empresa Fisher**
**Intervalos de recorrido de la válvula:**
Valores de R para cada especificación de la válvula de manguito:
Promedio de R: 1*1/4×1*5/1, 1*1/2×1*7/8, 2×2*5/16, 2*1/2×2*7/8, 3×3*7/16, 4×4*3/8, 6×7, 8×8L=2, 8×8L=3
Recorrido total: 27.4, 35.3, 57.6, 41.3, 54.2, 64.8, 67.1, 41.9, 43.1, 45.9
h=0.2~0.8: 25.8, 41.5, 69.7, 46.2, 78.1, 99.7, 69.0, 45.0, 69.7, 60.5
**4. Comprensión de la norma IEC 534—2—4 (proyecto)**
En el punto 3.3 de la norma IEC 534—2—4 (proyecto), se establece lo siguiente respecto a las características de caudal porcentual: “Entre h=0.2 y h=0.8, la diferencia entre los logaritmos de dos valores adyacentes de los coeficientes de caudal debe estar dentro del rango de 0.13 a 0.2”. “Por debajo de h=0,2, estos dos valores son 0,13 y 0,25 respectivamente ； Por encima de h=0,8, este valor debería ser 0,03 y 0,2”. Aquí, el rango de desviación en las características de caudal debe considerarse como algo que está determinado por el rango de valores de R. Calculando: para R=20, 0,1×logR=0,13; para R=100, 0,1×logR=0,20; para R=300, 0,1×logR=0,25; y para R=2, 0,1×logR=0,03. En otras palabras, la desviación en las características de caudal está limitada por rangos específicos para los valores de R, es decir, h=0,2~0,8 y R=20~80 ； h=0.8~1.0, R=2~100 ； h=0~0.2, R=20~300 ； Esta norma de la IEC refleja precisamente el hecho de que el valor R se considera como un parámetro característico de la curva de características de caudal, y permite que se utilicen valores diferentes de R en todo el rango de movimiento. Por su parte, la norma nacional GB 4213—84 “Requisitos técnicos generales para válvulas de control neumáticas” presenta ciertas diferencias con la norma IEC en este aspecto. Analizar en profundidad la relación entre el valor R y los coeficientes de caudal es importante tanto para el diseño, fabricación como para la aplicación de las válvulas de regulación. Es algo sumamente necesario para fortalecer la investigación teórica relacionada con estas válvulas y mejorar el nivel de diseño y fabricación de las mismas en nuestro país
**Característica lineal**: 3.33, 13.00, 22.67, 32.33, 42.00, 51.67, 61.33, 71.00, 80.67, 90.33, 100.00.
**Característica porcentual**: 3.33, 4.68, 6.58, 9.25, 12.99, 18.26, 25.65, 36.05, 50.65, 71.17, 100.00.
Desde el punto de vista de la aplicación, se desea que el factor de amplificación KD de la válvula de regulación sea lo más alto posible. El valor de KD está relacionado con el ratio de regulación R.
**Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal y el ratio de regulación en válvulas con característica lineal – Fórmula 4**.
**Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal y el ratio de regulación en válvulas con característica porcentual – Fórmula 5**.
Donde L representa el ángulo máximo de apertura de la válvula. Se puede observar que, al aumentar el valor de KD, también debe aumentar el valor de R. Por lo tanto, las fábricas indican que un valor de relación ajustable superior a cierto umbral constituye un indicador de rendimiento. Pero cuanto mayor es el valor R de la válvula de regulación, mayor es la dificultad en su diseño y fabricación. En las válvulas de control de una o dos posiciones, si el valor de R es demasiado alto, durante su fabricación puede ocurrir un fenómeno de cortes en la parte del elemento de la válvula que se encuentra en un rango de apertura del 90% al 100% ； En el caso de las válvulas de regulación de manguito, si el valor de R es demasiado alto, no será posible fabricarlas en un rango de apertura del 90 % al 100 %, debido a que el tamaño de la ventana resultaría excesivo. Todo esto limita el aumento del valor R. La fábrica diseña y fabrica los válvulas de regulación bajo la premisa de que R=30. Sin embargo, aún no se ha prestado atención a cuestiones como cuál es el valor real de R en estas válvulas, ni a la diferencia que existe entre ese valor y R=30. Dado que los diseñadores comprenden el valor de R únicamente como la relación entre Qmax y Qmin, y dado que Qmin es solo un valor teórico que no puede medirse, se considera que la relación real ajustable tampoco puede calcularse. En la información disponible hasta el momento sobre válvulas de regulación, aún no se ha encontrado ninguna explicación al respecto. En las normas nacionales e internacionales para válvulas de regulación, tampoco se establecen métodos para la medición, cálculo y evaluación del valor R. Esto se debe a una comprensión unilateral del concepto de relación de ajuste; ahora es necesario profundizar en el estudio y la investigación, partiendo de la relación entre la relación de ajuste y el coeficiente de caudal. 1. Relación entre la válvula comparable y la curva de características de caudal. Según la fórmula para calcular el coeficiente de caudal, el valor de R depende de ciertos factores; no obstante, es él quien determina el valor del coeficiente de caudal en cualquier posición relativa de la válvula. Por lo tanto, esto tiene una gran importancia práctica, tanto desde el punto de vista del diseño, fabricación y aplicación de las válvulas de regulación. Porque ninguna válvula de regulación puede funcionar con su apertura mínima, es decir, no opera a su valor Qmin. En la mayoría de los casos, se utiliza para controlar el caudal a una determinada apertura (generalmente entre el 20 % y el 80 % del rango total de apertura). En este momento, el valor del coeficiente de caudal del válvula de regulación determina el grado de apertura de dicha válvula. La variación del coeficiente de caudal en función del recorrido que realiza la válvula determina el factor de amplificación de la misma. Todo esto está relacionado con el valor R. Por lo tanto, no se puede entender el valor de R simplemente a partir de la relación entre Qmax y Qmin. En lugar de eso, el valor de R debe considerarse como un parámetro característico de toda la curva de características de caudal. Según las ecuaciones (1) y (2), así como las ecuaciones (3) y (4), se puede observar que los cambios en el valor de R tienen poco impacto en las características de caudal lineal. En particular, cuando R > 1, tanto Ф como KD no dependen del valor de R ； La influencia de la propiedad de percentil equivalente es considerable; por lo tanto, en este artículo, el impacto de los valores en el coeficiente de flujo se analiza únicamente en el contexto de la propiedad de percentil equivalente. Cuando el valor de R se considera como un parámetro característico de la curva de caudal, se puede pensar en la curva de caudal correspondiente a todo el recorrido como una combinación de varias curvas de caudal, cada una determinada por un valor diferente de R. Entre un 0% y un 80% de apertura, el valor de R es algo mayor. Esto permite que la válvula de control tenga un valor de R suficiente dentro del rango de funcionamiento, es decir, que cuente con un factor de amplificación adecuado. En el rango de apertura del 80 % al 100 %, el valor de R es más bajo, lo que facilita la fabricación de la válvula de control, ya que permite obtener fácilmente la curva del elemento móvil y las aberturas en el manguito. Aumentar el valor de R a altos niveles de operación también puede ser una forma de explorar formas de mejorar la capacidad de flujo en el diseño de válvulas de control. La idea de utilizar valores diferentes de R para cada segmento ya se ha reflejado en la norma IEC534—2—4 (proyecto) y en algunas tablas de coeficientes de caudal para válvulas de control en otros países. En este caso, el concepto de relación de ajuste ya no significa la relación entre Qmax y Qmin; más bien, debe considerarse como un parámetro característico de la curva de características de caudal, que debe ser estudiado. Método de cálculo del valor R: El valor R, que representa el rango real de ajuste de la válvula reguladora, puede calcularse. Según la fórmula (2), se puede deducir que lnФ = lnФ0 + h·lnR. En el sistema de coordenadas lnФ-h, la curva de características de caudal porcentual constante es una línea recta; el valor R determina, en realidad, la pendiente de dicha línea. Al medir en la práctica las características de caudal de una válvula de regulación, se obtienen varios conjuntos de datos (Ф, h). Debido a los errores de fabricación y de medición, estos valores se distribuyen de manera aproximadamente lineal en el sistema de coordenadas lnФ—h. Se considera que esta línea recta aproximada representa la verdadera curva de características de caudal de dicha válvula de regulación. Para obtener una línea de este tipo y que esté lo más cerca posible de esos puntos en el sistema de coordenadas, se recomienda utilizar el método de los mínimos cuadrados. Al medir el coeficiente de caudal de una válvula de regulación en diferentes posiciones de apertura, se obtienen un conjunto de datos que relacionan el recorrido relativo con el coeficiente de caudal. Estos datos se utilizan en la fórmula (6) para obtener un sistema de ecuaciones. En el estudio de la relación entre el coeficiente de caudal de la válvula de regulación y su rango de ajuste, se utiliza la fórmula 7. En ella, Ф0 y R representan los valores reales de la válvula de regulación; estos valores pueden determinarse mediante el método de mínimos cuadrados a partir del sistema de ecuaciones (7). En general, se realizan mediciones en 10 diferentes posiciones de apertura, es decir, hi toma los valores 0.1, 0.2, 0.3, …, 1.0. En este caso, K=10. Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal de la válvula de regulación y su rango de ajuste: ecuación 1 = 5.5 ； Estudio de la relación entre el coeficiente de caudal del válvula de regulación y su rango de ajuste: La fórmula 2 es igual a 3,85. Al sustituir este valor en la fórmula (8), se obtiene la fórmula 9. Al introducir el coeficiente de caudal medido, Fi, en la fórmula (9), se puede determinar el valor real del rango de ajuste R de dicha válvula de regulación. Si se sustituyen los valores teóricos del coeficiente de caudal porcentual que se indican en la Tabla 1 en la fórmula (9), se puede calcular que R=30. Según la ecuación (9), se obtiene el ratio de ajuste para todo el rango de funcionamiento del válvula de control. Para conocer con precisión el ratio de ajuste en las diferentes condiciones de operación de la válvula, se pueden tomar valores para hi de 0.2, 0.3, …, 0.8. Es decir, k=7. Según las ecuaciones 3 y 4, los coeficientes de caudal de la válvula de control en función del ratio de ajuste son 3.5 y 2.03, respectivamente. Con esto, se puede utilizar la fórmula 10 para calcular los valores de R correspondientes a los diferentes rangos de apertura del 20% al 80%. De manera similar, al sustituir los valores teóricos de la Tabla 1 en la ecuación (10), también se puede calcular que R=30. Dado que en las ecuaciones (9) y (10) el valor de Ф se presenta siempre en forma de razón, los resultados obtenidos al utilizar el coeficiente de caudal absoluto o el coeficiente de caudal relativo son iguales. Por lo tanto, es muy conveniente utilizarlo para calcular el valor de R. De manera similar, cuando es necesario calcular los valores de la curva de características de caudal para cualquier intervalo, se pueden derivar las fórmulas de cálculo correspondientes. 3. Comparación de los valores R de algunos válvulas de regulación nacionales e internacionales. Según la ecuación (9), se calcularon los valores R correspondientes utilizando válvulas de regulación de dos asientos diseñadas de forma uniforme en el país, así como válvulas de tipo manguito diseñadas conjuntamente. También se utilizó el coeficiente de caudal de las válvulas de tipo manguito modelo ED de la empresa Fisher. Los resultados se presentan en las tablas 2 a 4. Como se puede observar en la tabla, aunque las válvulas de regulación de dos asientos y las válvulas de regulación de tipo manguito tienen un valor R=30 establecido de antemano en su diseño, el valor R de las válvulas de regulación fabricadas en la práctica varía según sus especificaciones. **Tabla 2**: Valores del coeficiente de caudal Ф y del índice de ajuste R para válvulas de control de dos asientos. Diámetro nominal DN×dN. Valores de Ф para diferentes grados de apertura; índice de ajuste R.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
25 2,65 4,57 7,84 12,76 17,96 25,04 35,00 49,11 74,53 103,39 51,5
32 3,09 6,30 9,90 13,99 18,90 24,60 30,10 42,80 74,40 100,00 34,6
40 7,44 10,28 11,52 13,22 16,88 21,92 28,82 52,84 78,92 92,00 17,4
50 7,68 11,89 14,90 18,40 22,90 29,50 37,80 53,50 70,40 98,20 14,6
65 3,95 7,72 11,36 15,53 20,20 26,56 36,51 50,77 77,53 99,58 28,9
80 3,34 7,64 10,49 14,63 19,85 28,00 37,75 50,28 75,49 97,25 32,4
100 4,70 7,68 10,32 14,20 18,81 27,35 37,02 52,82 72,39 97,60 27,1
125 4,14 6,49 9,47 12,89 19,37 27,61 37,34 51,88 66,66 103,63 32,3
150 2,55 5,70 8,50 12,42 18,17 25,45 34,98 48,48 76,74 96,81 45,7
200 12,20 16,10 20,10 25,10 32,00 46,50 75,80 100,50 20,0
**Tabla 3**: Valores del coeficiente de caudal Ф y del índice de ajuste R para válvulas de control de tipo cilindro. Diámetro nominal DN×dN. Valores de Ф para diferentes grados de apertura; índice de ajuste R.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
25 4,10 7,90 12,10 16,50 20,40 29,60 42,20 61,00 81,50 103,00 30,9
40 C=16 2,12 6,06 10,00 14,31 18,75 24,75 34,50 51,06 73,75 96,88 45,3
60 C=25 6,54 9,12 11,76 14,84 20,24 28,16 38,60 56,00 78,00 99,20 21,3
50 3,10 6,45 9,90 15,05 22,48 32,50 46,50 67,50 90,50 97,75 45,2
65 3,25 6,83 10,24 14,63 20,63 27,46 40,32 58,73 86,35 107,94 41,2
80 4,20 7,67 11,10 14,97 21,05 29,70 40,60 60,50 80,10 92,60 29,9
100 3,57 7,37 11,03 15,21 21,80 30,39 44,13 64,90 82,06 93,23 34,9
125 C=250 3,69 7,00 10,80 15,24 21,20 29,80 41,60 59,60 87,60 102,80 36,9
125 C=370 3,34 7,14 10,84 15,19 21,89 31,62 45,95 65,41 82,43 93,24 37,5
200 3,17 6,90 10,79 15,66 22,41 31,90 42,76 60,34 81,21 96,03 37,8
300 3,31 6,92 10,54 14,54 20,23 28,62 43,85 64,23 82,31 94,08 38,3
**Tabla 4**: Valores del coeficiente de caudal Ф y del índice de ajuste R para válvulas de control modelo ED de la marca Fisher. Diámetro nominal DN×dN. Valores de Ф para diferentes grados de apertura; índice de ajuste R.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
1*1/4×1*5/16 0,783 1,54 2,20 2,89 4,21 5,76 7,83 10,9 14,1 17,2 27,4
1*1/2×1*7/8 1,52 2,63 3,87 5,41 7,45 11,2 17,4 24,5 30,8 35,8 36,3
2×2*5/16 1,66 2,93 4,66 6,98 10,8 16,5 25,4 37,3 50,7 59,7 57,6
2*1/2×2*7/8 3,43 7,13 10,8 15,1 22,4 33,7 49,2 71,1 89,5 99,4 41,3
3×3*7/16 4,32 7,53 10,9 17,1 27,2 43,5 66,0 97,0 120 136 54,2
4×4*3/8 5,85 11,6 18,3 30,2 49,7 79,7 125 171 205 224 64,8
6×7 12,9 25,8 43,3 67,4 104 162 239 316 368 394 47,1
8×8L=2 18,5 38,0 58,4 86,7 130 189 268 371 476 567 41,9
8×8L=3 27,0 58,1 105 188 307 478 605 695 761 818 43,1
Al comparar los valores de R en las Tablas 2 y 3, se observa que en las válvulas de control de dos asientos, los valores de R varían considerablemente según el tamaño de la válvula. En cambio, en las válvulas de control de tipo cilindro, los valores de R varían poco entre los diferentes tamaños. Esto se corresponde con el hecho de que, en el diseño de las dos tipos de válvulas, se utilizan diferentes criterios para determinar los errores en las características de caudal. En el caso de las válvulas de control de doble asiento, el rango de desviación para cada valor de caudal se establece en un 10% del valor máximo de caudal. Por su parte, las válvulas de manga utilizan el método de pendiente establecido en las normas internacionales IEC para calcular las desviaciones en las características de caudal. Obviamente, el segundo método permite garantizar que el valor de R cumpla con los requisitos del diseño, lo cual demuestra la superioridad del método de pendiente establecido por las normas IEC. Según las tablas 2, 3 y 4, también se puede observar que el valor R de las válvulas de regulación fabricadas en el país es menor que el de las válvulas de regulación importadas. El valor promedio de R para las válvulas de dos asientos producidas localmente es de 30,5, mientras que el valor promedio de R para las válvulas de tipo “sleeve” es de 36,2 ； El valor promedio de la válvula de manguito tipo ED de la empresa Fisher es 45,9. A continuación, se calcula el valor de R para las válvulas de tipo “sleeve” nacionales y para las válvulas de tipo ED de la empresa Fisher, en el rango de movimiento del émbolo (h=0.2~0.8), utilizando la ecuación (10). Estos valores se comparan con los valores de R obtenidos durante todo el recorrido del émbolo. Los resultados se presentan en las tablas 5 y 6. Se puede observar que el valor de R en la fase de movimiento del válvula fabricada en el país es similar al valor de R en todo el recorrido de movimiento; no hay cambios significativos. El valor promedio de R es de 34.2. En cambio, en el caso de las válvulas fabricadas por Fisher, el valor de R en la fase de movimiento es claramente mayor que el valor de R en todo el recorrido de movimiento. El valor promedio de R es de 60.5. El aumento del valor de R en las etapas de funcionamiento del sistema tiene como ventaja el hecho de que permite satisfacer mejor las necesidades del sistema de control automático. Además, aumenta el coeficiente de caudal cuando la válvula está abierta en un 80%, lo que a su vez mejora significativamente la capacidad de flujo de la válvula cuando está completamente abierta. A través del análisis y comparación de los valores R, se demuestra que existe una cierta diferencia en el nivel de diseño de las válvulas de regulación entre los países. **Tabla 5: Valores de R para las válvulas de control de tipo manguito fabricadas en el país**
**Intervalos de recorrido de la válvula:**
Valores de R para cada especificación de la válvula de manguito:
Promedio de R: 20, 40
C=16: 40; C=25: 50, 65, 80, 100, 125
C=250: 125; C=370: 200, 300
Recorrido total: 30.9, 45.3, 21.3, 45.2, 41.2, 29.9, 34.9, 36.9, 37.5, 37.8, 38.3, 36.2
h=0.2~0.8: 26.9, 28.9, 20.5, 49.2, 33.4, 29.5, 35.4, 33.0, 39.2, 35.2, 38.4, 34.2
**Tabla 6: Valores de R para las válvulas de manguito de la empresa Fisher**
**Intervalos de recorrido de la válvula:**
Valores de R para cada especificación de la válvula de manguito:
Promedio de R: 1*1/4×1*5/1, 1*1/2×1*7/8, 2×2*5/16, 2*1/2×2*7/8, 3×3*7/16, 4×4*3/8, 6×7, 8×8L=2, 8×8L=3
Recorrido total: 27.4, 35.3, 57.6, 41.3, 54.2, 64.8, 67.1, 41.9, 43.1, 45.9
h=0.2~0.8: 25.8, 41.5, 69.7, 46.2, 78.1, 99.7, 69.0, 45.0, 69.7, 60.5
**4. Comprensión de la norma IEC 534—2—4 (proyecto)**
En el punto 3.3 de la norma IEC 534—2—4 (proyecto), se establece lo siguiente respecto a las características de caudal porcentual: “Entre h=0.2 y h=0.8, la diferencia entre los logaritmos de dos valores adyacentes de los coeficientes de caudal debe estar dentro del rango de 0.13 a 0.2”. “Por debajo de h=0,2, estos dos valores son 0,13 y 0,25 respectivamente ； Por encima de h=0,8, este valor debería ser 0,03 y 0,2”. Aquí, el rango de desviación en las características de caudal debe considerarse como algo que está determinado por el rango de valores de R. Calculando: para R=20, 0,1×logR=0,13; para R=100, 0,1×logR=0,20; para R=300, 0,1×logR=0,25; y para R=2, 0,1×logR=0,03. En otras palabras, la desviación en las características de caudal está limitada por rangos específicos para los valores de R, es decir, h=0,2~0,8 y R=20~80 ； h=0.8~1.0, R=2~100 ； h=0~0.2, R=20~300 ； Esta norma de la IEC refleja precisamente el hecho de que el valor R se considera como un parámetro característico de la curva de características de caudal, y permite que se utilicen valores diferentes de R en todo el rango de movimiento. Por su parte, la norma nacional GB 4213—84 “Requisitos técnicos generales para válvulas de control neumáticas” presenta ciertas diferencias con la norma IEC en este aspecto. Analizar en profundidad la relación entre el valor R y los coeficientes de caudal es importante tanto para el diseño, fabricación como para la aplicación de las válvulas de regulación. Es algo sumamente necesario para fortalecer la investigación teórica relacionada con estas válvulas y mejorar el nivel de diseño y fabricación de las mismas en nuestro país
El coeficiente de caudal de la válvula de regulación (denominado valor Cv según las normas europeas y estadounidenses, y valor KV según las normas internacionales) se refiere al caudal volumétrico o masivo bajo condiciones estándar (de prueba). El coeficiente de caudal máximo Kv de la válvula de regulación se refiere al caudal volumétrico que pasa por la válvula por hora, expresado en m3/h. Este valor se calcula cuando la válvula está completamente abierta, y la diferencia de presión entre las dos extremidades de la válvula es de 100 KPa; además, la densidad del fluido es de 1 gf/cm3 (es decir, agua a 20°C). La relación de ajuste R de la válvula de regulación se define como la razón entre el coeficiente de caudal máximo y el coeficiente de caudal mínimo. Es decir, es la relación entre el volumen máximo de agua que puede fluir a través de la válvula en condiciones estándar y el volumen mínimo (controlable) de agua que puede fluir. Esta relación indica la capacidad de la válvula para regular el caudal.