La selección del diámetro de una válvula no consiste en “ajustarse al tamaño de la tubería”, sino que lo fundamental es determinar el coeficiente de caudal necesario (valor Cv) a partir de las condiciones de caudal y presión del fluido que se hará pasar, y elegir la válvula más pequeña que satisfaga dicho valor. En muchas instalaciones se ajusta directamente al diámetro nominal de la tubería existente, lo que provoca un empeoramiento de la controlabilidad por sobredimensionamiento, o bien pérdidas de presión y caudal insuficiente por subdimensionamiento. Además, en los caudalímetros y las válvulas de control, si no se respeta la longitud de tramo recto que debe asegurarse antes y después de la válvula, el flujo turbulento impide alcanzar el rendimiento previsto. En este artículo organizamos el procedimiento de selección de diámetro sin errores, tomando como ejes el concepto del valor Cv y los puntos clave de la longitud de tramo recto.
Puntos clave de este artículo
- El diámetro no se decide por el diámetro de la tubería, sino por el valor Cv necesario. Primero hay que identificar los caudales máximo, mínimo y habitual, y la presión diferencial.
- Si no se asegura la longitud de tramo recto necesaria antes y después de la válvula, la característica de caudal real se distorsiona aunque el valor Cv sea correcto.
Procedimiento para determinar el diámetro necesario a partir del valor Cv
Qué es el valor Cv y por qué no se selecciona por el diámetro de la tubería
El valor Cv es un coeficiente de caudal que indica “cuántos galones estadounidenses de agua limpia a 60 °F (aprox. 15,6 °C) fluyen en un minuto con una presión diferencial de 1 psi (aprox. 0,069 MPa)”. Cuanto mayor es el valor, más fluido puede pasar con la misma presión diferencial. En la selección de diámetro se utiliza primero el valor Cv porque la capacidad de paso de la válvula no la determina el diámetro nominal, sino la forma del conducto interno. Aun con el mismo diámetro nominal, el valor Cv varía según la estructura, por lo que ajustarse únicamente al diámetro de la tubería puede no satisfacer el caudal necesario o resultar en una capacidad excesiva.
En una selección habitual, se calcula el valor Cv necesario a partir de las condiciones de uso (caudal máximo, presión diferencial en ese momento, densidad y temperatura del fluido) y se elige la válvula más pequeña que cubra ese valor. Para fluidos distintos del agua, así como para gases o vapor, se emplean fórmulas de cálculo o ábacos específicos que corrigen la gravedad específica y la compresibilidad.
Fallos que provocan el sobredimensionamiento y el subdimensionamiento
Si la válvula es demasiado grande respecto al valor Cv necesario, en las válvulas de control solo trabaja en la zona de baja apertura, y un pequeño cambio de apertura hace variar mucho el caudal, tendiendo a un control inestable. A la inversa, si es demasiado pequeña, se consume presión diferencial en exceso para obtener el caudal necesario, lo que causa pérdidas de presión, caudal insuficiente y puede ser una de las causas de cavitación y erosión.
Por ello, es importante verificar no solo el caudal máximo, sino también el caudal mínimo y el habitual, y comprobar si en todo el rango de operación previsto la válvula se mantiene dentro de una apertura adecuada. En aplicaciones con grandes variaciones de caudal, conviene prestar atención también a la rangeabilidad (la relación entre el caudal máximo y el mínimo que se pueden controlar).
Asegurar el rendimiento real mediante la longitud de tramo recto y las condiciones de instalación
Concepto de la longitud de tramo recto necesaria antes y después de la válvula
Justo después de un codo, una reducción u otra válvula, el flujo se desvía y quedan remolinos y flujos de rotación. Si el fluido entra en la válvula o el caudalímetro en ese estado turbulento, no se obtiene la característica correspondiente al valor Cv del catálogo, y puede dar lugar a errores en el valor indicado, ruidos anómalos o vibraciones. En general, como orientación se considera asegurar aguas arriba de la válvula o el equipo una longitud de tramo recto de entre varias veces y unas 10 veces el diámetro nominal, y aguas abajo de varias veces; sin embargo, dado que la longitud necesaria varía según el modelo, el fluido y la precisión requerida, debe confirmarse en las instrucciones de instalación de cada producto.
Condiciones de instalación y operación fáciles de pasar por alto
En la selección de diámetro, también son criterios de decisión la temperatura y la viscosidad del fluido, la presencia de incrustaciones o partículas extrañas, las condiciones de cavitación y la posición de montaje. Los fluidos de alta viscosidad requieren corregir el valor Cv, y si hay muchas partículas extrañas es necesario estudiar la operación en apertura total o una estructura resistente al desgaste. En líquidos con gran presión diferencial existe riesgo de cavitación, que se contrarresta con la elección del material y del tipo de válvula. Teniendo esto en cuenta, la clave para evitar fallos es realizar la selección incluyendo no solo el “satisfacer el valor Cv necesario”, sino también si “se puede usar de forma estable en esas condiciones”.
Preguntas frecuentes
Q1. ¿Debe coincidir siempre el diámetro nominal de la tubería con el diámetro de la válvula?
A1. No es necesario que coincidan siempre. La válvula elegida a partir del valor Cv necesario puede resultar de menor diámetro que la tubería, en cuyo caso se conecta mediante una reducción. Hay que tener en cuenta que priorizar la coincidencia con el diámetro nominal tiende a provocar sobredimensionamiento.
Q2. ¿Cuál es la información mínima necesaria para calcular el valor Cv?
A2. Como referencia, los caudales máximo, mínimo y habitual, la presión diferencial entre la entrada y la salida de la válvula en cada caso, y el tipo, la temperatura y la gravedad específica del fluido (para gases y vapor, también la presión de entrada). Cuanto más completos estén estos datos, mayor será la precisión.
Q3. Si solo conozco el caudal máximo, ¿cómo debo hacer la selección?
A3. Primero se determina el valor Cv necesario con el caudal máximo, pero si se desconoce el caudal mínimo no se puede comprobar la controlabilidad. Cuando no es posible prever el rango de operación, recomendamos consultar al fabricante incluyendo las suposiciones sobre el uso real.
Q4. ¿Qué hacer en tuberías donde no se puede asegurar la longitud de tramo recto?
A4. En algunos casos puede resolverse instalando un rectificador de flujo o cambiando de modelo. Dado que la solución óptima varía según la precisión requerida y el espacio de instalación, se estudia de forma individual a partir del plano de disposición.
Q5. La válvula existente es antigua y su modelo se desconoce. ¿Se puede elegir un producto equivalente?
A5. Si se conocen el diámetro nominal, el tipo de conexión, la presión y temperatura de uso, el fluido y la aplicación, podemos proponer un producto con capacidad equivalente. Contar con fotografías del aspecto exterior o con la información de la placa de características facilita la selección.
Q6. ¿Se puede seleccionar con la misma fórmula también para vapor o gases?
A6. El concepto básico es el mismo, pero se emplean fórmulas o ábacos específicos que consideran la compresibilidad. Como también es necesario verificar las condiciones de flujo crítico (estrangulamiento), la selección se realiza especificando las condiciones.
Resumen
La clave de la selección de diámetro es no ajustarse al diámetro de la tubería, sino determinar el valor Cv necesario a partir de las condiciones de uso y elegir la válvula más pequeña, y además comprobar si “se puede usar de forma estable en esas condiciones”, incluyendo la longitud de tramo recto antes y después de la válvula y las condiciones de instalación. Tener organizados los caudales máximo, mínimo y habitual, la presión diferencial y las condiciones del fluido aumenta la precisión de la selección.
Si tiene alguna dificultad como “no puedo juzgar si el diámetro es el adecuado”, “conozco el caudal máximo pero desconozco el mínimo y no puedo prever la controlabilidad”, “quiero seleccionar un producto equivalente a la válvula existente” o “quiero saber cómo actuar en una tubería donde no se puede obtener la longitud de tramo recto”, utilice el servicio de consulta técnica y de selección de Yoshitake. A partir de sus condiciones de uso y de la disposición, le ayudamos a elegir el modelo y el diámetro que se ajusten a sus condiciones.