Autoridad de la válvula de control

El parámetro más importante para la selección de válvulas de control es el coeficiente de flujo (Cv), pero, para comprender la influencia del funcionamiento de una válvula en sistemas de  HVAC, se debe entender la autoridad de esta y sus efectos.

La autoridad de la válvula (β) se define como: La relación entre la caída de presión de la válvula cuando está completamente abierta y cuando está completamente cerrada (todos los demás parámetros se mantienen constantes).

Para calcular la autoridad del siguiente ejemplo se necesita tener el conocimiento de las siguientes ecuaciones:

libo1

Dónde:

β = Autoridad de la válvula
∆p_v100= Caída de presión de la válvula 100% abierta
∆p_ 𝐹𝑙𝑜𝑤 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒”= Caída de presión de la variable de flujo, es la presión que se añade a la válvula de control debido al cambio de flujo en serpentín.
∆p_𝑣0= Caída de presión de la válvula 0 % cerrada.

Generalmente, se considera aceptable una autoridad de al menos 0.4 a 0.5. y el mínimo aceptable sería de 0.25 como se muestra en la Figura #1.

imagen2

El cálculo de la autoridad es simple y se basa en las mismas leyes para las válvulas de 3 vías y de 2  vías. Cabe mencionar que en el  pasado cuando no se empleaba la velocidad variable en los sistemas HVAC,  se utilizaban arreglos de 3 vías, esto permitía mantener un flujo contante en dicho sistemas, y la autoridad de la válvula no tenía mucha importancia debido a lo que a continuación explicaremos:

Autoridad de una válvula de control de 3 vías:
Arreglo de 3 vías en HVAC.  Figura # 2.

imagen2El cálculo de la autoridad de una válvula de tres vías es la relación entre la caída de presión de la válvula abierta del 100% dividida entre la suma de  la caída de presión de la válvula abierta del 100% y la caída de presión de la variable de flujo.

En el ejemplo #1, la válvula de control  se dimensionó de modo que el ∆Pv100 = 4 PSI “cuando el puerto B está cerrado”. Además,  en este ejemplo, el serpentín tiene 4 PSI con un flujo del 100%.

imagen2

Si la válvula de control está cerrada en el puerto A, no tenemos flujo a través del serpentín, por lo que la válvula de control toma los 4 PSI del serpentín dando una totalidad de 8 PSI. Como se observa en la Figura #3.

imagen2

Utilizando la fórmula:imagen2Por esta razón se utiliza una regla de dedo, que consiste en seleccionar las válvulas con caída de presión similar a la caída del serpentín, de este modo, el análisis de la autoridad se simplifica de manera significativa.

Ejemplo #2, ¿Qué sucede si el flujo se reduce a través del serpentín en un 50%?

imagen2

En este ejemplo se toma los datos del ejemplo anterior pero reducimos el caudal que pasa por el serpentín en 50%,  y sucede lo siguiente:

Al disminuir el flujo del serpentín la caída del mismo disminuye, por lo que se modifican los siguientes de valores.

La caída del serpentín pasa a 1 PSI, por lo que al equilibrarse con la válvula de control la ∆p_ (𝐹𝑙𝑜𝑤 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒) también es 1,  por esta razón la caída del válvula pasa a ser 5 PSI, por otro lado, la válvula de balanceo toma el resto de la presión.

imagen2

En el sistemas de arreglo de 3 vías, independientemente de que le variamos el caudal en serpentín, si utilizamos la regla de seleccionar la caída de presión de la válvula de control sea igual a la de caída de presión del serpentín al 100% de flujo, obtendremos siempre una buena autoridad de la válvula.

Debido a que en la actualidad se utilizan los sistemas de variación de flujo por medio de variadores de frecuencia, al no ser necesario mantener un flujo contante,  se realizan  los arreglos de 2 vías. Por lo que en este caso el análisis de la autoridad de la válvula se vuelve muy importante en la selección de las válvulas de control.

Autoridad de una válvula de control de 2 vías
Arreglo de 2 vías en HVAC. Figura #4

imagen2

El cálculo de la autoridad de una válvula de 2 vías es la relación entre la caída de presión de la válvula abierta del 100% dividida por la caída de presión sobre la válvula cerrada.

En el ejemplo # 3, la válvula se seleccionó con  ∆Pv100 = 4 PSI. Y el serpentín tiene 4 PSI con 100% de flujo.

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Para la obtención de “∆Pv0”, se requiere la caída de presión sobre la válvula de control cuando está cerrada.  En este caso la válvula toma toda la caída de presión que existe entre el suministro y el retorno.

¿Por qué?

Porque cuando no hay flujo, no hay caída de presión. El serpentín no tiene caída de presión y, lo que es más importante, la válvula de equilibrado no tiene caída de presión. Esto hace que toda la caída de presión recaiga en la válvula de control.

imagen2

En una selección de válvula de control con caída de presión de 4 PSI,  igual a la del serpentín se calcula una autoridad de 0.2,  y esto no es aceptable.

Esto causará un control inestable debido a la distorsión de la autoridad,  y dará lugar a una expectativa de vida corta de los actuadores de las  válvulas, ya que la válvula se moverá constantemente en un intento de dar el flujo requerido.

Distorsión de la autoridad en válvulas con característica de  iguale porcentaje Figura #5.

1

Como podrán observar la regla de dedo antes mencionada, no aplica en sistemas con arreglos de 2 vías, por lo que requiere más una metodología que una simple regla de dedo para el cálculo de la autoridad de la válvula en estos sistemas.

Ejemplo #4: Se tiene un sistema de velocidad variable  de 400 gpm @ 40 psi. Con 4 manejadoras de 100 gpm, cada una con una caída de presión de 4 PSI.  En este ejemplo las válvulas de control se seleccionaron de acuerdo con la regla de dedo, que es escoger la misma caída de presión que el serpentín. “sin tomar en cuenta la autoridad de la válvula”. Figuras #6 y #7

2Figura # 6

3Figura # 7

Utilizando 4 PSI como una caída de presión para cada válvula, nos da como resultado autoridades inaceptables en manejadoras cercanas a la bomba. Estas válvulas están operando casi en el encendido-apagado o en el mejor de los casos, abriendo entre 0 a 20%  para controlar de 0 a 80% de la salida de calor. Esto es muy común hoy en día. El principal problema es que en la mayoría de las instalaciones con arreglos 2 vías, siguen empleando la metodología utilizada para el arreglo de 3 vías, dando resultados generales como:

  • Una inversión costosa
  • Las válvulas grandes son más caras y con autoridad inaceptable en la mayoría de los sistemas
  • El actuador está sobrecargado resultando en una vida útil corta del actuador
  • Control inestable que es un desperdicio de energía

Ejemplo #5: Se tiene el mimo sistema de velocidad variable  de 400 gpm @ 40 psi. Con 4 manejadoras de 100 gpm, cada una con una caída de presión de 4 PSI.  En este ejemplo las válvulas de control se seleccionaron tomando en cuenta una autoridad aceptable entre 0.4 a 0.5.  Figuras #8 y #9.

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Figura #8

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Figura #9

Conclusión
En este  método la autoridad  tiene en cuenta la ubicación de la válvula. Este método nos da como resultado un control excelente. Como se observa en  la figura #8, cada válvula de control está dimensionada con una caída de presión diferente. Esto asegura que cada válvula tendrá la autoridad recomendada entre 0.4 y 0.5.

Sin embargo, hay algunos pequeños problemas con este método. Por ejemplo, cuando una selección resulta con un diferencial de presión alto sobre la válvula, que podría resultar en cavitación. En estos casos se evalúa utilizar una autoridad con el rango que va desde mínimo recomendable de 0.25 a 3.  Por último, este proceso requiere un procedimiento de dimensionamiento y selección intensivo en tiempo para los proyectistas.

 

 

Por:  Liborio Gonzalez
liborio.gonzalez@aqsindustrial.com.mx


Referencias

  • Total Hydronic Balancing
    Robert Petitjean, Tour & Andersson Hydronic AB
  • HVAC Pump Handbook
    James B. Rishel, McGraw-Hill
  • ASHRAE Handbooks
  • HVAC Equations, Data, and Rules of Thumb
    Bell, McGraw-Hill
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