Regulación de caudal
Limitación de caudal
Control PID Caudal, Válvulas de control
CONTENIDO
1 - TIPO DE UNIDADES TERMINALES
Una unidad terminal es aquella que recibe agua fria y/o caliente para la transferencia de energía térmica a otro medio, y las hay de dos tipos según el fluido secundario:
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Aire- agua:
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Baterías:
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Fancoils
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Unidades de tratamiento de aire, UTA´s
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Evaporadores
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Radiadores
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Agua - agua:
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Intercambiadores de calor, de placas o tubulares
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Serpentines
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Refrigeración interna de un proceso, por ejemplo moldes
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📢📢Todas tienen en común una cosa:
la regulación de capacidad se lleva a cabo mediante la variación de caudal de agua, da igual que se haga mediante V2V o V3V. Es decir, del lado de la unidad terminal, el caudal es siempre variable
2 - TIPOS DE REGULACIÓN
En función del tipo de regulación se tiene:
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Regulación de caudal estático o equilibrado estático.
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El caudal se regula de forma fija, girando el actuador (se modifica su KVs) .
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Es una válvula de asiento con 2 tomas de presión que permite medir el caudal.
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Si la presión diferencial sobre la válvula se modifica el caudal se modifica
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Limitación de caudal, independientemente de la presión diferencial
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Mantiene el caudal en cualquier circunstancia de presión diferencial
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Están formadas por un cartucho y un muelle que se mueve en función de la presión para mantener el caudal constante
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No se puede medir el caudal en esta válvula
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Regulación dinámica de caudal, lazo de control cerrado PID
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Normalmente válvulas de asiento de 2 o 3 vías, con un actuador motorizado (eléctrico o neumático) y que responde a un lazo de control.
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Se clasifican en base a:
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Movimiento de apertura o cierre:
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Lineal: asiento o compuerta
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Pose un asiento en forma de cono y un vástago.
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Para regular el caudal el vástago se abre y cierra en forma lineal.
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Tienen una gran capacidad de regulación de caudal; el caudal es proporcional al porcentaje de apertura.
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Son excelentes para aplicaciones donde se requiere un control preciso de caudal
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Rotativa: bola o mariposa
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Posee una bola con orificio.
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Para regular el caudal la bola se abre y cierra haciéndola rotar 90°.
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Son de acción rápida, con un pequeño porcentaje de apertura permite el paso de una gran cantidad de caudal.
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La caída de presión a través de la válvula es muy pequeña.
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Recomendadas para aplicaciones de control Todo/Nada
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Por el número de puertos: 2 o 3 vías.
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Las V3V según su posición pueden ser diversoras o mezcladoras:
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Mezcladoras: permiten mezclar proporcionalmente los fluidos de entrada por la vía o puerto directo o por el “bypass”.
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Diversoras: permiten desviar el flujo de un fluido, total o parcialmente.
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Por la característica de control:
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Apertura rápida
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Lineal
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Isoporcentual
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Equilibrado automático, DPCV ( Differential Pressure Control Valves)
Es una válvula capaz de mantener la presión diferencial constante independientemente a las variaciones de presión del circuito como consecuencia de la apertura y cierre de las distintas V2V de un circuito a caudal variable.
3 - CARACTERÍSTICA CONTROL VÁLVULAS
1 - Apertura rápida:
Cuando se arranca desde la posición cerrada, una válvula de apertura rápida permite el paso de una cantidad considerable de flujo para un pequeño recorrido del vástago.
A medida que el vástago se desplaza hacia la posición de apertura la velocidad a la que se incrementa el caudal por movimiento del vástago se reduce de forma no lineal.
Esta característica se utiliza en aplicaciones de dos posiciones o de encendido/apagado.
2 - Lineal:
Las válvulas lineales producen incrementos de caudal iguales por igual recorrido del vástago en todo el rango de recorrido del vástago.
Esta característica se utiliza en baterías de vapor y en el puerto de derivación de válvulas de tres vías.
3 - Isoporcentual
Este tipo de válvula produce un aumento exponencial a medida que el vástago pasa de la posición cerrada a la abierta. El término porcentaje igual significa que para incrementos iguales de recorrido del vástago, el caudal aumenta en un porcentaje igual.
Por ejemplo, en la figura de arriba, si la válvula se mueve del 50 al 70% de la carrera completa, el porcentaje de flujo total cambia del 10 al 25%, un incremento del 150%.
Entonces, si la válvula se mueve del 80 al 100% de carrera completa, el porcentaje de flujo completo cambia de 40 a 100%,
de nuevo, un aumento del 150%.
Esta característica se recomienda para el control de los terminales de agua caliente y fría.
Es recomendable utilizar una válvula cuya característica de control sea inversa a la curva de emisión de potencia térmica del equipo terminal el cual está controlando:
Generalmente, las válvulas controlan el flujo de fluidos mediante un actuador, que mueve un vástago con un obturador acoplado. El obturador se asienta dentro del puerto de la válvula y contra el asiento de la válvula con un disco de composición o un asiento metálico.
En función de la geometría del obturador, se pueden desarrollar tres condiciones de flujo distintas
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Apertura rápida
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Lineal
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Isoporcentual
⚠️Esta compensación exige el cumplimiento de dos condiciones ⚠️
👉 Que la presión diferencial sobre la válvula de control sea constante.
👉 Que el caudal de diseño esté disponible a válvula de control completamente abierta.
Si la presión diferencial en la válvula de control no es constante, o si ésta última está sobredimensionada, su característica se distorsionará, comprometiéndose el control modulante del bucle. ¿es importante estabilizar la presión diferencial?
4 - AUTORIDAD VÁLVULA DE CONTROL
La autoridad de una válvula β está definida por la relación entre la caída de presión a través de ella cuando está totalmente abierta Δpmin (que es la mínima) y la caída de presión de todo el circuito afectado por la válvula o, lo que es lo mismo, la presión diferencial a través de la válvula cuando está cerrada (a caudal teóricamente nulo) Δpmax (que es la máxima, y que es igual a la pérdida de presión a través de la válvula totalmente abierta más la pérdida de presión a través de los otros elementos del circuito en las mismas condiciones de válvula totalmente abierta):
La autoridad de la válvula mide hasta qué punto es capaz la válvula de control de imponer su característica en el circuito que controla. Cuanto mayor sea la resistencia de la válvula y, por tanto, la caída de presión a través de ella, mejor controlará la válvula de control la emisión de energía del circuito.
En condiciones reales de operación la ∆P a través de la válvula no se mantiene constante, lo que significa que la característica efectiva de la válvula de control cambia.
Cuanto menor sea la autoridad de la válvula, mayor será la deformación y hay que asegurarse de que sea lo más alta posible para minimizar la deformación.
El valor de la autoridad β puede variar del 0% al 100%.
Un valor pequeño de β significa una pequeña caída de presión a través de la válvula en relación con la caída de presión a través de todo el circuito.
Cuando β es pequeño, el caudal está predominantemente determinado por la caída de prensión a través de los otros componentes del circuito y las maniobras de apertura o cierre de la válvula tienen poca influencia sobre el caudal.
❌ Esta circunstancia afecta negativamente a la controlabilidad del sistema, precisamente porque la válvula tiene poca autoridad. Si la autoridad es demasiado pequeña, la válvula deberá trabajar sobre un recorrido del obturador muy pequeño, lo que dificulta la acción del lazo de control.
❌ Por otra parte, el valor máximo de la autoridad se debe limitar para evitar velocidades excesivas del agua a su paso a través de la válvula y, por tanto, desgaste por erosión y ruidos.
✅ Para asegurar un correcto funcionamiento de la válvula es necesario que su autoridad sea igual o superior a 0,5
5 - CARACTERÍSTICA DE UNA VÁLVULA DE CONTROL, KV y KVs
El coeficiente de caudal (kv ) es un factor de diseño que relaciona la diferencia de presión (Δp) entre la entrada y salida de la válvula con el caudal que pasa a través de ella.
El caudal de agua depende de la presión diferencial aplicada a la válvula de acuerdo con la siguiente fórmula:
donde, Kv es el factor de caudal de la válvula, ρ es la densidad, (siendo para el agua, 1.000 Kg./m3 a 4ºC, 970 Kg./m3 a 80ºC), q es el caudal en m3/h, y ∆p es la presión diferencial expresada en bares.
El Kvs es el máximo kv para la válvula totalmente abierta.
La válvula de control se selecciona de manera que su Kvs proporcione el caudal de diseño para la presión diferencial disponible cuando la válvula esté trabajando en las condiciones de nominales.
No es fácil determinar el Kvs de una válvula de control, dado que la presión diferencial disponible en la válvula depende de muchos factores, entre ellos, los siguientes:
• Altura manométrica real de la bomba.
• Pérdidas de carga en tuberías y accesorios.
• Pérdidas de carga en unidades terminales.
• Pérdidas de carga del ramal
Estas pérdidas de carga dependen también de la precisión con la que el equilibrado hidráulico se lleve a cabo. En proyecto, se calculan los valores teóricos correctos de las pérdidas de carga y caudales en los componentes de la instalación. Pero difícilmente se encuentran en el mercado componentes con las propiedades exactamente especificadas.
En consecuencia, el instalador debe adquirir bombas, válvulas de control y unidades terminales de tipo estándar.
Las válvulas de control están disponibles en el mercado con valores del Kvs que crecen según una progresión geométrica llamada serie de Reynard: Kvs: 1,0 1,6 2,5 4,0 6,3 10 16 .....
Cada valor es aproximadamente 60% mayor al valor anterior. No es normal encontrar una válvula de control que cree, exactamente, la pérdida de carga deseada para el caudal de diseño.
6 - DIMENSIONAMIENTO DE UNA VÁLVULA DE CONTROL
El tamaño de la válvula requerida se elige de tal manera que el valor de kv calculado para la demanda máxima sea lo más cercano al valor de Kvs de la válvula elegida (pero aún más bajo).
Factor de rango: Proporciona información sobre cuál es el caudal mínimo que la válvula puede controlar en condiciones de presión estable.
El coeficiente Kv para la válvula totalmente abierta se denomina Kvs mientras que el mínimo valor recibe el nombre de Kvr. La relación entre ambos se denomina campo de control o “rangeability” y expresa la relación de caudales que la válvula puede controlar manteniendo la curva característica inherente
