El principal factor que altera el control al seleccionar el diámetro de una válvula de control (válvula reguladora) es determinar el diámetro de la válvula ajustándolo al tamaño de la tubería. La regla básica es que la válvula de control no debe tener “el mismo diámetro que la tubería”; en su lugar, se debe calcular el valor Cv necesario (coeficiente de caudal) a partir del caudal máximo y mínimo reales que van a circular y de la presión diferencial que actúa sobre la válvula en esos momentos, y elegir un diámetro con el que la apertura quede dentro del rango adecuado (por lo general, en torno al 20-80 %). Si se falla en este punto, la válvula acaba controlando casi siempre prácticamente cerrada o, al contrario, cerca de la apertura total sin alcanzar el caudal suficiente, lo que provoca oscilaciones (hunting) o la pérdida de control. En este artículo explicamos los criterios de decisión y los puntos de atención para evitar errores en la selección del diámetro, centrándonos en la selección de válvulas de control.
Puntos clave de este artículo
- El diámetro de la válvula de control se determina a partir del “valor Cv necesario”, no del “diámetro de la tubería”.
- Además del caudal máximo, hay que verificar el caudal mínimo, la variación de la presión diferencial y la rangeabilidad.
- Una selección en la que la apertura no queda entre el 20 y el 80 % tiende a alterar el control.
El diámetro de la válvula de control no se decide por el “diámetro de la tubería”
Lo primero que hay que tener presente al seleccionar el diámetro de una válvula de control es no hacer coincidir sin más el tamaño de la tubería con el diámetro de la válvula. Muchos fallos de control surgen del criterio de “como la tubería es de 50A, la válvula también será de 50A”. Como la válvula de control es un dispositivo que regula el caudal estrangulándolo, no es raro que el diámetro necesario resulte menor que el de la tubería.
Determinar el diámetro a partir del valor Cv necesario
La capacidad de la válvula de control se expresa mediante el valor Cv (coeficiente de caudal), y el valor Cv necesario se calcula a partir del fluido, el caudal y la presión diferencial entre la entrada y la salida de la válvula. En el caso de líquidos, lo habitual es obtenerlo a partir del caudal, la presión diferencial y la densidad relativa. Si el valor Cv nominal de la válvula seleccionada es demasiado grande frente a este valor Cv necesario, se alcanza el caudal requerido con una apertura mínima y la válvula acaba trabajando solo en una zona de baja apertura (por ejemplo, en torno al 10 %). La zona de baja apertura es sensible a las variaciones de caudal y propensa a alterar el control.
A la inversa, si el valor Cv nominal es demasiado pequeño, el caudal resulta insuficiente incluso cerca de la apertura total y se pierde margen de control. En general, se toma como referencia elegir el valor Cv nominal de modo que la apertura en el funcionamiento normal quede dentro de un rango aproximado del 20 al 80 %.
No equivocarse en la estimación de la presión diferencial
En el cálculo del valor Cv necesario, la estimación de la presión diferencial entre la entrada y la salida de la válvula (la presión consumida por la válvula) influye enormemente en el resultado. Si se calcula únicamente con la presión diferencial nominal sin conocer qué parte de la altura de bombeo o de la pérdida de carga total del sistema debe asumir la válvula de control, la apertura en el funcionamiento real se desvía de lo previsto. En particular, en sistemas donde la pérdida de carga en la tubería aumenta al crecer el caudal y desciende la presión diferencial que actúa sobre la válvula, puede darse una presión diferencial insuficiente en el caudal máximo, de modo que el caudal no llega a aumentar. Es importante entender la presión diferencial no como “un único punto”, sino como una variación a lo largo de todo el rango de funcionamiento.
Verificar el caudal mínimo y la rangeabilidad
Los errores en la selección del diámetro también se producen cuando se atiende únicamente al caudal máximo y se descuida el caudal mínimo. En la práctica, el caudal varía notablemente durante el arranque, en carga baja, por variaciones estacionales, etc., por lo que se necesita un diámetro capaz de controlar en todo ese rango.
Verificar la apertura en el lado del caudal mínimo
Aunque en el caudal máximo la apertura quede dentro del 80 %, si en el caudal mínimo cae hasta unos pocos por ciento, en esa zona el caudal varía de forma sensible frente al movimiento del obturador y resulta difícil de estabilizar. La rangeabilidad (la relación entre el caudal máximo y el mínimo controlables) viene determinada por las características de la válvula, y en una válvula de control con característica isoporcentual (equal percentage) habitual se toma como referencia del orden de varias decenas a 1. Si la relación de caudales prevista supera este rango, conviene estudiar configuraciones en las que una sola válvula no cubra todo el rango, sino que se reparta en dos válvulas, una grande y otra pequeña (por ejemplo, rango dividido o split range).
Adaptar la característica de caudal al uso
Las válvulas de control disponen de características de caudal como lineal, isoporcentual (equal percentage) y de apertura rápida (quick opening). La característica más adecuada varía según las propiedades de presión del sistema; por ejemplo, se considera que la isoporcentual es más manejable en sistemas donde la pérdida de carga en la tubería es dominante y la presión diferencial de la válvula fluctúa. No solo el diámetro, sino también la selección de la característica de caudal, es un factor que influye en la estabilidad del control.
Preguntas frecuentes
Q1. ¿No se debe elegir una válvula de control del mismo diámetro que la tubería?
A1. No está prohibido, pero suele resultar sobredimensionada frente al valor Cv necesario y tiende a operar con baja apertura. Calcule primero el valor Cv necesario y compruebe si la apertura queda dentro del rango adecuado.
Q2. ¿Qué porcentaje de apertura conviene buscar?
A2. En general, se toma como referencia en torno al 20-80 % en el funcionamiento normal. Como el rango óptimo varía según las condiciones de operación, verifíquelo tanto en el caudal máximo como en el mínimo.
Q3. Solo conozco el caudal máximo y desconozco el caudal mínimo
A3. Analizar las condiciones de operación en el arranque y en carga baja puede permitir estimarlo. Si lo desconoce, podemos estudiarlo conjuntamente a partir de los patrones de operación, así que no dude en consultarnos.
Q4. Se están produciendo oscilaciones (hunting). ¿La causa es el diámetro?
A4. La operación con baja apertura por un diámetro sobredimensionado puede ser una de las causas, pero intervienen varios factores como los parámetros de control o la respuesta del actuador. Es necesario aislar el problema teniendo en cuenta los datos de operación.
Q5. ¿Cómo debo elegir la característica de caudal?
A5. Depende de la tendencia de la pérdida de carga del sistema. En sistemas donde la presión diferencial de la válvula fluctúa se considera más manejable la isoporcentual, pero como varía según las condiciones, se selecciona en función del uso.
Q6. La válvula de control existente es antigua y quiero renovarla por un producto equivalente
A6. Si dispone de la información de la placa de características, el diámetro, el valor Cv, las especificaciones de conexión y, a ser posible, el caudal y la presión diferencial de operación, resulta más fácil estudiar el modelo compatible.
Resumen
Los puntos clave para evitar errores en la selección del diámetro de una válvula de control son: determinarlo a partir del valor Cv necesario y no del diámetro de la tubería; comprobar tanto en el caudal máximo como en el mínimo que la apertura queda dentro del rango adecuado (referencia del 20 al 80 %); y entender la presión diferencial como una variación a lo largo de todo el rango de funcionamiento. Cuando esto está bien planteado, resulta más fácil evitar el comportamiento sensible de la operación con baja apertura y la pérdida de margen de control por capacidad insuficiente.
En situaciones como “solo conozco el tamaño de la tubería y no puedo juzgar si el diámetro es adecuado”, “conozco el caudal máximo pero desconozco el mínimo” o “quiero seleccionar un producto equivalente a una válvula existente”, resulta útil estudiar la selección a partir de las condiciones de operación. Todas las cifras son orientativas, y la selección adecuada varía según el sistema real y las condiciones del fluido. Si tiene cualquier duda sobre la selección del diámetro o el cálculo del Cv, aproveche el servicio de consulta técnica y de selección de Yoshitake. A partir del caudal de operación, la presión diferencial, las condiciones del fluido y otros datos, estudiaremos junto con usted la selección del modelo más adecuado.