Este documento trata sobre el dimensionamiento de válvulas de control. Explica las variables y ecuaciones fundamentales como la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli. Detalla el proceso de dimensionamiento que incluye determinar las características del fluido, las presiones, temperaturas, rangos de control, coeficientes de corrección y el cálculo del coeficiente Cv. También cubre conceptos como flujo ahogado, cavitación y la selección de la característica inherente de la válvula.

1. Curso Válvulas de
Control
AADECA 2005
Ing. Eduardo Néstor Álvarez
Dimensionamiento

2. Dimensionamiento de Válvulas de control
ANTECEDENTES
1960 Primer Antecedente FLUID CONTROL INSTITUTE
1967 ISA establece un comité para el desarrollo y publicación de
ecuaciones normalizadas de dimensionamiento.
Norma de referencia ANSI ISA S 75.01 que se asemeja a la
IEC 534-2-1 y 534-2-2

3. APROXIMACIÓN TEÓRICA
BÁSICA PARA LÍQUIDOS

4. Variables en el flujo incompresible
Usaremos estos nombres en lo que sigue
P = Presión
γ = Peso Específico
V = Velocidad
h = altura geométrica
g = aceleración de la gravedad
Entonces teniendo en cuenta la conservación de la
energía

5. Ecuación de Continuidad
Caudal = Q = A1 V1 = A2.V2
Como A2 < A1 entonces V2 > V1
Relación de Diámetros ß = D2 / D1
Relación de Áreas ß2 = A2 / A1

6. Bernoulli
P/γ + V2 / 2g + h = cte O bien:
P1/γ + V1
2 / 2g + h1 = P2/γ + V2
2 / 2g + h2

7. Continuidad
Usaremos la ecuación de continuidad para
eliminar V1 y poder despejar V2 para
deducir el caudal que pasa.
A1 V1 = A2.V2
V1 = V2 .( A2/ A1)
Pero ß2 = A2 / A1
Entonces V1 = V2 . ß2

8. Coeficiente de Flujo
Q = Área2 x Coeficiente x Velocidad2
Por continuidad V1 = V2 . ß2
Y reuniendo por Bernouilli y Continuidad
V2 = [(2g x(P2 -P1 )/γ )½ ]/( 1 – ß4 ) ½
V2 = [2g x(P2 -P1 )/(γ/ γH2O)]½ ]/[( 1 – ß4 ). γH2O ]½
Y siendo GF = (γ/ γH2O)
Q = Área x Coeficiente x (2g x(P2 -P1 )/ GF )½
Coeficiente = C /[( 1 – ß4 ). γH2O ]½

9. Coeficiente de Flujo
Donde C = coeficiente de descarga.
Agrupando
CV = Área x C x (2g)½ /C /[( 1 – ß4 ). γH2O ]½
Resulta Q = CV (( P2 -P1 )/ GF )½
Expresión teórica para Líquidos
CV = coeficiente de Flujo de la Válvula

10. Dimensionamiento de Válvulas
Q = CV (( P2 -P1 )/GF)½
o sea CV = Q/ (( P2 -P1 )/GF)½
Podemos decir que el Cv es el caudal que circula
cuando GF es unitario (agua) y P2 -P1 también .
A esta expresión se la corrige de diversos modos
para el cálculo de la capacidad necesaria de las
Válvulas en diversos estados de carga y para
distintas fases.

11. Cv Kv
CV = Q/ (N1.Fp.( P2 -P1 )/GF)½ (Cálculo en Volumen)
CV = W/ (N6.Fp.( P2 -P1 )/γ)½ (Cálculo en Masa)
Cv calcula con caudal en gpm y presión en psia
Kv = (0.865). Cv
Kv calcula con caudal en m3/h y presion en bar

12. Dimensionamiento de Válvulas
El caudal en forma práctica y de acuerdo a la normativa se calcula
entonces así.
Donde
N1 como veremos depende de las Unidades,
Fp es el factor de Cañería ,
Gf es la relación del peso específico del fluido respecto de
la del agua.

13. Datos , Selección y Dimensionamiento 1
Primer Paso Buscar valores y calcular :
Características del Fluido ν, Pv, Pc, Gf
Caidas de Presión , P1 , P2, DP
Temperaturas , T1
Rangos de Control Qmáx, Qnorm, Qmín
Compatibilidad con materiales de juntas y
cuerpo de las Válvulas

14. Características del Fluido
Primer Paso Buscar valores y calcular :
Características del Fluido ν, Pv, Pc, Gf
ν: viscosidad cinemática
Pv: presión de vapor
Pc : Presión Crítica
Gf: Relación de Peso específico del fluido en las
condiciones de Proceso respecto del agua en las
mismas condiciones.

15. Presiones Temperatura y caída de Presión
Primer Paso Buscar valores y calcular :
Caidas de Presión , P1 , P2, DP
Temperaturas , T1
P1 :presión de entrada
P2: presión de salida
DP= P1 - P2 Caída de presiones en la Válvula
T1 : Temperatura de entrada

16. Rangos de Control y Compatibilidad
Qmáx, Qnorm, Qmín
Qmáx, Qnorm, Qmín caudales en las condiciones de
máximo, normal y mínimo de funcionamiento del proceso
Compatibilidad con materiales de juntas y
cuerpo de las Válvulas

17. Zona de Trabajo Válvula

18. Segundo Paso:
Determinar el coeficiente de Corrección de unidades ( hay tablas
para usar el adecuado), N1 volumen, N6 masa
1
0,865
0,0865
gpm
m3/h
m3/h
bar
psia
kPa
N1
Tercer Paso:
Determinar el Factor de corrección por geometria de la Cañería (
Piping ) Fp, solo si hay accesorios o reductores directamente
fijados a la entrada y/o salida de la válvula.Si no hay tales , el
factor es 1. En el caso de válvulas rotatorias con reductores
incluidos este factor ya se incluye en el Cv de la válvula.

19. Tabla de
Coeficientes

20. Cuarto
Paso:
Determinar el Caudal
Limite Máximo o bien
el correspondiente
DP máx
para considerar la
posibilidad de un flujo
¨Ahogado¨ por las
condiciones del proceso.
Tipico problema de la
Vaporización por pasar
por una presión mas
baja que Pv .

21. Quinto Paso : Determinar el Cv
Cv de la válvula para líquidos y caudal volumétrico
usamos la siguiente ecuación.
CV = Q / {N1 .Fp .[(P1 - P2 )/Gf ]½}
Paso seis : elegir la válvula que cubra este CV
Es necesario entonces buscar en tablas o calcular Fp

22. Determinación de Fp
Es mejor usar datos de los fabricantes determinados
experimentalmente , de lo contrario se deben determinar
los coeficientes K de los accesorios y el factor ß a partir
de lo cual se calcula así
Fp = [1+ (CV / d2 ) . (ΣK / N2 )]-1/2
N2 depende de las unidades (mm o pulgadas)
d : diámetro nominal propuesto de la válvula
Cv es el máximo de la válvula propuesta

23. Donde ΣK = K1 + K2 + Kß1 - Kß2
K1 , K2 son los coeficientes de pérdida de
carga de los accesorios a la entrada y salida
de la válvula
Kß1 , Kß2 son los coeficientes de Bernouilli a
la entrada y a la salida de la válvula

24. K1 K2
Para el caso mas usual de un reductor concentrico
corto los valores son
K1 = 0,5 * ( 1 – d/D1
2 ) 2 a la entrada
K2 = 1,0 * ( 1 – d/D2
2 ) 2 a la salida
D1 = diámetro de la cañería aguas Arriba
D2 = diámetro de la cañería aguas Abajo
d = diámetro de la válvula

25. Kß1 , Kß2 son los coeficientes de Bernouilli a
la entrada y a la salida de la válvula
Sus expresiones son:
Kß1 = ( 1 – (d/D1)4 )
Kß2 = ( 1 – (d/D2)4 )
D1 = diámetro de la cañería aguas Arriba
D2 = diámetro de la cañería aguas Abajo
d = diámetro de la válvula

26. K1 +K2
Para una válvula instalada con reductores
idénticos en la entrada y la salida queda
ΣK = K1 + K2
dado que los efectos de los coeficientes de
Bernoulli se compensan cuando son iguales.
Si son iguales D1 Y D2
K1 +K2 = 1,5 * ( 1 – ß1
2 ) 2

27. Determinar N2
inch
890
mm
0,0214
Longitudes
en
N2

28. Flujo ahogado “choked”
Q = CV. (P1 - P2 )/Gf Ecuación 1

29. Determinación del caudal límite Qmáx
Qmáx = N1 x FL x CV x((P1 -FF x Pv )/GF )½
Donde : FF = 0,96 – 0,28 x (Pv / Pc )½
Pv / Pc = relacion entre presión de vapor y presión crítica(abs)

30. Determinación del caudal límite Qmáx
FL = Factor de Recuperación , dato de la válvula elegida
Si la válvula se instala con accesorios reductores se usa en lugar de
FL el cociente entre FLP / Fp donde:
FLP = [1 / (FL ) 2 + (CV / d2 ) 2 . (K1 / N2 )]-1/2 )
Donde K1 = K1 + KB1
Con K1 = Coeficiente de pérdidas de Carga en los accesorios aguas
arriba
Donde KB1 = Coeficiente Bernoulli aguas arriba (entrada)

31. Ejemplo de Tabla de Coeficientes de Válvulas
Las casas comerciales publican los coeficientes para el cálculo,
determinados experimentalmente , los incluyen también en sus
programas de dimensionamiento.

32. Determinación del DeltaP límite ∆ Pmáx
(allowable sizing pressure drop)
Considerando sin accesorios será
∆ Pmáx L = FL
2 (P1 - FF x Pv )
Cuando hay accesorios
∆ Pmáx LP = (FLP / Fp )2 (P1 -FF x Pv )

33. Determinación del DeltaP límite ∆ Pmáx
Donde : P1 = presión absoluta en la entrada
Pv = Presión de Vapor Absoluta a la temperatura de
entrada
Si ∆ Pmáx < (P1 –P2)
Se debe recalcular todo con ∆ Pmáx
Puesto que eso indica que habrá flujo “ahogado”

34. Pv
Alta y Baja
Recuperación
Ejemplifica la
figura la
diferencia
entre válvulas
de alta
recuperación
de presión
respecto de las
de baja.

35. Cavitación y Flashing

36. Ensayo Dinámico de Válvulas en Laboratorio

37. Relación Cv Kv
C
d
2
V
4
891
K
•
=
K
d
Cv
2
9
,
29 •
=

38. Características
Inherentes
VARIACIÓN DE
FLUJO EN
FUNCIÓN DE LA
ELEVACIÓN DEL
VÁSTAGO COMO
FRACCIÓN DE LA
ELEVACIÓN
MÁXIMA PARA
UN
DELTAPRESION
CONSTANTE

39. Características Instaladas
Cuando la Válvula actúa modifica el Delta P que ve en el proceso
por lo cual la característica difiere de la inherente que es a DeltaP
constante

40. Selección de la característica para Nivel de Líquidos
Característica
inherente recomendada
Relación de Delta P con la carga
Lineal
Delta P constante
Lineal
Disminución del Delta P cuando aumenta la carga, cuando
El DeltaP a carga máxima es mayor que el 20% del Delta
P de carga mínima
Porcentaje Igual
Disminución del Delta P cuando aumenta la carga, cuando
El DeltaP a carga máxima es menor que el 20% del Delta
P de carga mínima
Apertura Rápida
Amento del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El
DeltaP a carga máxima es mayor que el 200% del Delta P
de carga mínima
Lineal
Amento del Delta P cuando aumenta la carga, cuando El
DeltaP a carga máxima es menor que el 200% del Delta P
de carga mínima
Estos son lineamientos generales , puede haber excepciones.

41. Selección de la característica para control de caudal
Característica Inherente
Recomendada
Ubicación de la
Válvula respecto
del elemento de
Medición
Señal de medición
de caudal al
controlador
Proporcional al
cuadrado del
caudal
Proporcional al
caudal
En By Pass
(1)
En Serie
En By Pass
(1)
En Serie
Variaciones Pequeñas
desde el Set Point pero con
variaciones grandes de
DeltaP cuando se aumenta
la carga
Variaciones
grandes desde
el Set Point
Porcentaje igual
Lineal
Porcentaje igual
Lineal
Porcentaje igual
Porcentaje igual
Porcentaje igual
Lineal
(1) Cuando la valvula se cierra la medición sube en el Transmisor

42. La válvula ideal para el control lineal sería la de
característica inherente del mismo nombre, pero en
general cuando esta se instala y según la relación de
pérdida de presión en la válvula respecto de la pérdida
dinámica total en la línea, la característica instalada tiende
a ser semejante a una válvula de apertura rápida.
Sin embargo que la deformación de la característica de la
válvula porcentaje igual tiende a dar valores
aptos para el control en la zona central del recorrido del
obturador. Con lo cual esta característica se hace la
opción apropiada cuando la relación indicada es de valor
pequeño

43. Presiones que soportan las distintas clases clasificadas
respecto de la temperatura Para Cuerpos de Cr Mo .
clases
clasificadas

45. Pérdidas En las Válvulas
• Clasificación de las Válvulas por las Perdidas
• Norma ANSI/FCI 70-2-1991 (Antes ANSI B16.104-1976)
Esta norma determina las clases de asiento segun sus pérdidas
y los correspondientes procedimientos de ensayo.
Se debe constatar de ser necesario que el fabricante cumpla la
clase solicitada en la válvula a proveer por ejemplo
Clase ANSI I , II, III, IV, V , VI
Cada clase tiene un límite de pérdidas permitido dado por la
norma

46. Pérdidas En las Válvulas
ANSI I-VI
Ejemplo:Válvula globo de 3”, CVmax 1000 GPM
I - No se exige Ensayo de Pérdidas ---
II - 0.5% Capacidad Promedio 5 GPM
III - 0.1% Capacidad Promedio 1 GPM
IV - 0.01% Capacidad Promedio 0.1 GPM
V - 0.0005 mL/min/in. port dia./psi 0.15 mL
VI - Gotas/min por el tamaño del asiento 6 Gotas/min

51. RANGEABILITY
El cociente entre los caudales máximo y
mínimo que deja pasar una válvula
cumpliendo con su curva característica
RL = RH . (α ) ½ α = ∆ Pmín / ∆ Pmáx
RESOLUCIÓN:
La menor variación de la posición del
vástago y por ende de caudal en respuesta a
una acción de control. El recorrido de una
vávlula globo se podrá dividir en 60 si la
válvula funciona sin posicionador .

52. Hoja de
especificac
iones

53. Hoja de
especifica
ciones

54. Hoja de
especifica
ciones

55. Hoja de
especifica
ciones