Características y selección de las válvulas de regulación de presión multietapa de diferentes tipos

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Características y selección de las válvulas de regulación de presión multietapa. Se presenta de manera sistemática una descripción de los tipos estructurales más comunes de las válvulas de regulación de presión multietapa y sus características. Se resumen los métodos más comunes que utilizan los usuarios para calcular el valor CV de las válvulas de regulación, teniendo en cuenta las condiciones específicas de los medios compresibles. Esto sirve como referencia para que los usuarios comprendan las características de las válvulas de regulación de presión de múltiples etapas y puedan elegirlas de manera adecuada. I. Introducción En los procesos de producción industrial moderna, las válvulas de control son dispositivos utilizados para regular el caudal del fluido en las tuberías. Constituyen elementos de control finales en los sistemas de tuberías, y desempeñan un papel importante en la distribución del fluido y en su regulación del caudal. En los últimos años, con el constante avance de la tecnología industrial, las condiciones especiales de alta temperatura y alta presión que se presentan en la producción real han planteado requisitos más elevados para las válvulas de regulación. En particular, las válvulas de regulación utilizadas en aplicaciones con grandes diferencias de presión sufren, debido a las altas velocidades del flujo, una corrosión por erosión en sus componentes internos. Además, se presentan problemas como la cavitación, el ruido y las vibraciones causados por este fenómeno, lo que representa un grave riesgo para la seguridad en la producción. Por lo tanto, algunos fabricantes nacionales e internacionales han desarrollado, por separado, válvulas de regulación de estructura multietapa diseñadas específicamente para operar en condiciones de gran diferencia de presión. Este artículo presenta de forma separada la estructura, el principio de funcionamiento y las características de los diversos tipos comunes de válvulas reguladoras de presión de múltiples etapas. Además, para condiciones compresibles, se resumen los métodos comunes que los usuarios pueden utilizar para calcular el valor de CV de la válvula de regulación, en función del caudal requerido en la práctica. Ofrece una referencia para que los usuarios conozcan las características de las válvulas de regulación de presión de múltiples niveles y las elijan de manera adecuada. II. Tipos y características comunes de las válvulas de regulación de presión multinivel. La causa fundamental del fenómeno de cavitación que ocurre en las válvulas de regulación es la diferencia de presión excesiva entre el lado anterior y posterior de la válvula. Se considera que, cuando Δp > 2,5 MPa, la presión del fluido disminuye bruscamente al pasar por la zona de estrangulamiento dentro de la válvula. La presión alcanza su valor más bajo en el punto donde el área de paso es menor. Cuando esta presión es inferior a la presión de vapor saturado del fluido a esa temperatura, parte del líquido se vaporiza, formando numerosas burbujas diminutas. Cuando el fluido pasa por la zona de estrangulamiento y la presión vuelve a aumentar, estas burbujas estallan y vuelven al estado líquido. Esto genera impactos en las partes de la válvula, como su cuerpo y su elemento de cierre, y provoca problemas como ruidos y vibraciones. En los últimos años, algunos fabricantes de válvulas de regulación, tanto nacionales como internacionales, han desarrollado diversos tipos de válvulas de reducción de presión de múltiples etapas resistentes a la erosión por cavitación, diseñadas específicamente para operar en condiciones extremas. Las válvulas de regulación de presión de múltiples etapas que se utilizan con frecuencia se dividen en tres categorías. Aunque difieren en su estructura, todas tienen el mismo principio de funcionamiento: reducen la diferencia de presión total en varias etapas, de modo que la caída de presión en cada etapa, Δp1, sea menor que la presión crítica necesaria para que se produzca cavitación. De esta manera, se evitan efectivamente problemas como la cavitación. 1. Válvula de regulación en serie. La estructura de reducción de presión en varios niveles, de tipo en serie, se muestra en la Figura 1. Esta estructura divide la zona de restricción de flujo que antes era una sola en varias zonas separadas, conectadas entre sí en serie. De este modo, la gran diferencia de presión se convierte en varias diferencias de presión más pequeñas. Así, el rango de reducción de presión en cada paso se mantiene por encima de la presión de vapor saturado, evitando así la aparición del fenómeno de cavitación. Figura 1: Válvula de control en serie. Las válvulas de control en serie se utilizan principalmente en aplicaciones con medios líquidos. Sus características son las siguientes: 1) Permiten reducir la diferencia de presión durante el proceso de apertura y cierre. La acción de cada uno de los orificios de restricción se produce con retraso con respecto al orificio anterior, lo que permite disminuir gradualmente la alta presión que actúa sobre la válvula durante este proceso, distribuyendo así la presión entre los diferentes orificios de restricción. 2) Tiene una resistencia al flujo baja, por lo que es adecuado para situaciones en las que la pureza del fluido no es alta, e incluso en flujos de fase sólido-líquida. 3) Los elementos de válvula en configuración en serie suelen someterse a un tratamiento de endurecimiento por pulverización con tungsteno carburo, lo que les confiere buenas propiedades contra la erosión causada por el chorro de agua. 4) El proceso de fabricación es más sencillo en comparación con otras válvulas de regulación de presión de múltiples etapas; su procesamiento es fácil y el costo de producción también es relativamente bajo. 5) Las válvulas de control en serie suelen tener un número limitado de etapas de reducción de presión, generalmente de 3 a 4 etapas; por lo tanto, no son adecuadas para aplicaciones con diferencias de presión demasiado altas. 2. Válvula de regulación de manguito múltiple. La estructura de reducción de presión en varios niveles con manguitos múltiples se muestra en la Figura 2. Este tipo de válvulas se utiliza frecuentemente en plantas eléctricas o en la industria química, entre otros sectores. Figura 2: Válvula de regulación de manguito múltiple. Las características estructurales típicas de esta válvula son que la parte que sirve para regular el flujo está formada por varios manguitos con orificios pequeños. Entre cada uno de estos manguitos existe un espacio determinado, lo cual permite que el fluido fluya de manera más suave a través de ellos. De este modo, se logra controlar la velocidad del fluido dentro de ciertos límites. Sus características son las siguientes: 1) El número de etapas de reducción de presión en la válvula de regulación de tipo manguito múltiple puede ser alto, lo que le confiere una mayor capacidad de reducción de presión en comparación con las válvulas de tipo en serie. Por lo tanto, es adecuada para aplicaciones con grandes diferencias de presión. 2) La estructura de manguitos multicapa permite satisfacer requisitos de caída de presión elevados, al tiempo que garantiza un gran caudal durante el funcionamiento. 3) Tiene una buena resistencia a la cavitación. Cuando se utiliza con medios líquidos, el fluido fluye desde el manguito más exterior hacia el más interior. El medio líquido pierde presión gradualmente a medida que avanza por los manguitos, lo que ayuda a reducir la aparición de fenómenos de cavitación. Finalmente, el fluido es expulsado a través de los orificios ubicados en el manguito interno hacia la zona del compartimento central de la válvula. De esta manera, las burbujas se rompen en la parte central del manguito, sin causar daños directos en la superficie metálica de la válvula. 4) Tiene buenas propiedades de resistencia al ruido y a las vibraciones. Cuando se utiliza con medios gaseosos, el flujo ocurre de adentro hacia afuera del manguito. El diámetro de los orificios y los espacios en la parte exterior del manguito son mayores que en su parte interior, lo que permite que el medio gaseoso se expanda gradualmente a medida que la presión disminuye. De esta manera, se puede reducir efectivamente los efectos negativos causados por el ruido y las vibraciones. 5) El proceso de mecanizado de los manguitos es bastante complejo y su costo es elevado. Pero su instalación y mantenimiento son sencillos, y es fácil reemplazarlo. 3. Válvula de regulación en forma de laberinto. La estructura de reducción de presión en múltiples etapas, con discos en forma de laberinto, se muestra en la Figura 3. La parte principal de la válvula, encargada de regular el flujo, está formada por varios discos metálicos con ranuras en forma de laberinto superpuestos entre sí. El fluido fluye a través de los canales en forma de laberinto, donde sufre numerosas colisiones y giros, lo que hace que se gaste energía. Al mismo tiempo que la presión disminuye gradualmente, también se controla la velocidad del flujo. Figura 3: Válvula de regulación en forma de laberinto. Se utiliza principalmente en industrias como la energía nuclear y las centrales eléctricas, en situaciones donde son necesarias altas temperaturas y presiones. El medio de trabajo suele ser vapor sobrecalentado, pero también puede utilizarse con medios líquidos. Sus características son las siguientes. 1) El número de etapas de curvatura en los canales en forma de laberinto corresponde al número de etapas de reducción de presión en las válvulas reguladoras de tipo laberíntico. Por lo general, este número puede llegar a ser de una docena a veinte etapas. Por eso, la estructura de reducción de presión en múltiples etapas de este tipo de válvulas es la que ofrece la mayor capacidad de reducción de presión entre todas las válvulas reguladoras de este tipo. En el extranjero, existen productos capaces de alcanzar una presión de hasta 40 MPa. 2) Excelentes propiedades de resistencia a la erosión por cavitación, así como de reducción del ruido y las vibraciones. Los canales en forma de laberinto con múltiples curvas permiten controlar eficazmente la velocidad del flujo de fluido, evitando así fenómenos negativos como la cavitación, el ruido y las vibraciones. 3) Al combinar diferentes tipos de discos laberínticos, la válvula de regulación de tipo laberíntico puede lograr distintas curvas de regulación de caudal. 4) Se requiere una alta precisión en la fabricación de los discos en forma de laberinto; generalmente, se fabrican mediante soldadura con aleaciones de Stellite, lo que les confiere una larga vida útil ； La instalación y el mantenimiento son relativamente sencillos, y los discos son fáciles de reemplazar. 5) Los canales en forma de laberinto requieren un alto nivel de limpieza del fluido que fluye a través de ellos; de lo contrario, es fácil que se obstruyan. III. Cálculo del valor CV de las válvulas de regulación de presión de múltiples etapas. El coeficiente de caudal (CV) se utiliza generalmente para indicar la capacidad de flujo de una válvula. Para elegir la válvula de regulación adecuada, es necesario calcular el valor CV necesario según las condiciones de uso, y luego seleccionar el modelo de válvula que corresponda, en función de ese coeficiente de caudal nominal. En condiciones de compresibilidad, durante el proceso de estrangulamiento, la presión del fluido disminuye, su volumen aumenta y su densidad disminuye. La dinámica del flujo dentro de la válvula es mucho más compleja en comparación con el caso de fluidos incompresibles. Por lo tanto, para las válvulas de regulación de presión de múltiples etapas que se utilizan habitualmente en condiciones de compresibilidad, el método de cálculo del coeficiente de caudal también es bastante especial. En las condiciones típicas de compresibilidad, los métodos más comunes para calcular el valor de CV son el método del coeficiente de compresión y el método del coeficiente de expansión. 1. Método del coeficiente de compresión. El método del coeficiente de compresión fue propuesto por la Unión Soviética en la década de 1950. Se trata de una de las primeras fórmulas utilizadas para calcular el coeficiente de caudal en condiciones de compresibilidad. El método del coeficiente de compresión tiene en cuenta la compresibilidad del gas; para ello, se añade un coeficiente de compresión del gas, ε, a las fórmulas de cálculo para líquidos, con el fin de corregir dichas fórmulas. Este método simplifica en gran medida el modelo de cálculo: todas las válvulas de regulación, independientemente de su forma, se reducen a simples boquillas de flujo. Se considera entonces que el proceso de flujo del gas a través de estas boquillas es un proceso adiabático. A partir de la ecuación de equilibrio energético, se obtiene la fórmula de cálculo. Es decir: en la ecuación (1), γN representa la densidad del gas en condiciones normales, con unidades de kgf/m³ (1 kgf = 9,8 N) ； Q: Caudal volumétrico en condiciones normales, con unidad de m3/h ； T: Temperatura del gas, en unidades de K ； p1: Presión antes de la válvula, en unidades de kgf/m2 (1 kgf = 9,8 N) ； ∆p: Diferencia de presión antes y después de la válvula, en unidades de kgf/m2. El coeficiente de compresión ε puede determinarse mediante pruebas. En general, para el aire se puede obtener el valor correspondiente a través de dichas pruebas. Además del método del coeficiente de compresión, en el pasado también se utilizaron métodos como el método de la densidad antes de la válvula, el método de la densidad después de la válvula y el método de la densidad promedio. Las fórmulas iniciales solo son aplicables en situaciones en las que el grado de recuperación de la presión no es alto; dentro del rango de flujo no crítico, permiten obtener una buena precisión en los cálculos. Sin embargo, debido a la simplificación del modelo de cálculo que implica la fórmula, a medida que ∆p/p1 aumenta hasta alcanzar la relación de presión crítica, se generan errores significativos; por lo tanto, no se pueden satisfacer los requisitos en las zonas de transición y en la zona crítica. 2. Método del coeficiente de expansión: Dado que las fórmulas de cálculo anteriores no tenían en cuenta la influencia de las propiedades de recuperación de presión de las válvulas en los resultados, en la década de 1970 algunos fabricantes extranjeros propusieron una serie de fórmulas posteriores, como el método del coeficiente de expansión, el método polinómico y el método sinusoidal. Estas fórmulas mejoraron las anteriores y permitieron lograr una mayor precisión en los cálculos, tanto en la zona no crítica como en la zona crítica. En comparación con las fórmulas anteriores, los resultados obtenidos mediante las fórmulas posteriores, representadas por el método del coeficiente de expansión, son más económicos, lo que permite reducir el desperdicio innecesario. Entre ellos, el método del coeficiente de expansión es recomendado por la IEC como fórmula estándar debido a su sencillez en los cálculos. El método del coeficiente de expansión se obtiene mediante la introducción del coeficiente de expansión Y en las fórmulas de cálculo utilizadas para los líquidos, con el fin de realizar correcciones. Cuando Y = 1, el método del coeficiente de expansión también es aplicable a los casos de líquidos incompresibles. (3) En la ecuación, ρN representa la densidad del gas en condiciones normales; su unidad es kg/m3 ； Q: Caudal volumétrico en condiciones normales, con unidad de m3/h ； T1: Temperatura de entrada del gas, en unidades de K ； p1: Presión antes de la válvula, en kPa ； X: relación de diferencia de presión, X = Δp/p1 ； Z: Coeficiente de compresión. El coeficiente de expansión Y se refiere a la relación entre el coeficiente de caudal de un medio compresible y el coeficiente de caudal de un medio incompresible, para el mismo número de Reynolds. Representa el cambio en la densidad del fluido a medida que este fluye desde la entrada de la válvula hasta el punto de menor área de flujo, que se encuentra aguas abajo del orificio de restricción. También muestra cómo varía el área de ese punto de restricción cuando cambia la diferencia de presión. (4) En la ecuación, FK es el coeficiente de razón específica de calor; FK = K/1.4. Dado que la fórmula de cálculo en sí no incluye la densidad real del fluido bajo condiciones de flujo ascendente, el método del coeficiente de expansión introduce el coeficiente de compresibilidad Z para compensar las diferencias entre el gas real y el gas ideal en ciertas condiciones. El coeficiente de expansión Y se utiliza para corregir los cambios en la densidad del gas desde la entrada de la válvula hasta el área del estrechamiento. Y está relacionado con factores como la relación entre el área del estrechamiento y el área de entrada, la forma del conducto, la relación de diferencia de presiones X, el número de Reynolds y el coeficiente de calor específico FK. El método del coeficiente de expansión tiene en cuenta de manera integral los numerosos factores que influyen en el flujo de fluidos compresibles, por lo que permite garantizar una alta precisión en los cálculos en todo el rango de flujo. Además, es aplicable a todo tipo de válvulas y se utiliza ampliamente. IV. Conclusión. Las válvulas de regulación de presión de múltiples etapas, utilizadas en condiciones de gran diferencia de presión, son equipos clave dentro de los sistemas de tuberías, y desempeñan un papel fundamental en el proceso de control. Este artículo presenta de manera sistemática el principio de funcionamiento, la estructura básica, las características y los casos de uso de tres tipos comunes de válvulas reguladoras de presión multinivel. De este modo, se brinda a los usuarios una referencia para comprender los tipos y características básicas de estas válvulas. Además, dado que las válvulas de regulación de presión de múltiples etapas se utilizan con frecuencia en condiciones de compresibilidad, este documento también resume los métodos típicos para calcular el coeficiente de caudal en dichas condiciones. De esta manera, los usuarios pueden elegir el modelo específico de la válvula de regulación basándose en los métodos de cálculo correctos. En resumen, este artículo ofrece una referencia útil para que los usuarios comprendan las características de las válvulas de regulación de presión de múltiples etapas, diseñadas específicamente para aplicaciones con grandes diferencias de presión, y puedan elegirlas de manera adecuada.