El Cv de una válvula de control (coeficiente de caudal) es un número estandarizado que describe cuánto líquido pasará una válvula a una apertura determinada para una caída de presión dada, y es el punto de partida para dimensionar casi todas las válvulas de control en una planta. Equivocarse con el Cv y la válvula o bien privará al proceso de caudal o pasará su vida apenas entreabierta, buscando y desgastando el trim.
El Cv se define como el número de galones estadounidenses por minuto (gpm) de agua a 60 °F que pasarán por una válvula con una caída de presión de 1 psi a través de ella. Una válvula con un Cv de 10 deja pasar 10 gpm de agua con una caída de 1 psi, y el caudal escala con la raíz cuadrada de la caída de presión a partir de ahí. Esta definición fue estandarizada por la antigua Instrument Society of America y ahora figura en la ISA-75.01.01, una adopción nacional modificada de la norma internacional IEC 60534-2-1. Dado que cada fabricante prueba y publica el Cv de la misma manera, un valor de Cv en la hoja de datos de un proveedor es directamente comparable al de otro.
Fuera de Norteamérica, las válvulas suelen clasificarse en Kv, definido como el caudal en metros cúbicos por hora de agua que pasa por la válvula con una caída de presión de 1 bar. Kv y Cv describen la misma propiedad física en diferentes sistemas de unidades, y la conversión es sencilla:
Al comparar una hoja de datos estadounidense con una europea, convierta primero. Mezclar ambos sin convertir es un error de dimensionamiento común y totalmente evitable.
Para flujo de líquido sin vaporización ni flujo estrangulado, la relación simplificada de dimensionamiento es:
Cv = Q × raíz cuadrada de (SG / ΔP)
donde Q es el caudal requerido en gpm, SG es la gravedad específica del fluido en relación con el agua, y ΔP es la caída de presión a través de la válvula en psi a ese caudal. Calcule el Cv requerido en los flujos mínimo, normal y máximo esperados, luego elija una válvula cuya curva de Cv cubra ese rango con el obturador posicionado en la parte útil de su recorrido, generalmente ni totalmente abierta ni apenas entreabierta. El dimensionamiento completo según ISA-75.01.01 / IEC 60534-2-1 añade factores de corrección para la geometría de tuberías, flujo estrangulado y viscosidad, pero la ecuación de Cv anterior es la relación central sobre la que se construyen todas esas correcciones. Debido a que las pérdidas en la válvula se traducen en estrangulamiento que debe compensarse en otra parte del sistema, el dimensionamiento de la válvula merece hacerse junto con una comprobación de las curvas de bomba y las leyes de afinidad para que la bomba y la válvula se dimensionen como un par, no de forma aislada.
La rangeability es la relación entre el Cv máximo útil de una válvula y su Cv mínimo controlable, medida en condiciones de laboratorio con una caída de presión constante. Es una propiedad del diseño de la válvula y del trim, no del sistema instalado. Las válvulas globo suelen citarse comúnmente en el rango de 30:1 a 50:1, mientras que las válvulas de mariposa típicamente tienen valores más bajos, a menudo citados alrededor de 20:1 a 30:1, aunque las cifras reales varían según el fabricante y el estilo del trim, por lo que siempre hay que consultar los datos específicos del producto.
El turndown es la versión práctica e instalada de la misma idea: la relación entre el caudal máximo y el mínimo que la válvula puede controlar realmente una vez instalada en el sistema de tuberías, sujeta a variaciones reales de caída de presión, ruido y dinámica del proceso. El turndown casi siempre es inferior a la rangeability medida en laboratorio. Una válvula valorada en 50:1 en papel podría ofrecer solo un turndown usable de 20:1 a 25:1 una vez instalada. Subdimensionar la rangeability es una de las causas más comunes de una válvula que "hace hunting" cerca del caudal mínimo, un síntoma que a menudo también aparece como vibración anormal en el actuador o las tuberías; vale la pena comprobarlo frente a la guía ISO 10816-3 sobre severidad de vibración si el conjunto de la válvula vibra más de lo esperado.
La característica de flujo inherente es la relación entre el recorrido de la válvula (porcentaje de apertura) y el Cv, trazada a una caída de presión constante, exactamente como el fabricante la prueba en el laboratorio. Hay tres características inherentes comunes.
| Característica | Comportamiento | Uso típico |
|---|---|---|
| Apertura rápida | La mayor parte de la capacidad de caudal se entrega en los primeros 20 a 30 por ciento del recorrido, luego la ganancia de caudal se aplana | Servicio de encendido/apagado, algunas aplicaciones de alivio y seguridad |
| Lineal | El Cv aumenta proporcionalmente con el recorrido | Sistemas donde la caída de presión a través de la válvula se mantiene aproximadamente constante en el rango de caudal |
| Igual porcentaje | Incrementos iguales de recorrido producen cambios porcentuales iguales en el Cv existente, por lo que la curva es logarítmica | Sistemas donde la participación de la válvula en la caída de presión total cambia mucho entre caudal bajo y alto, como la mayoría de los lazos de control de presión y temperatura |
La característica inherente asume una caída de presión constante a través de la válvula, lo que casi nunca se cumple en un sistema de tuberías real. A medida que aumenta el caudal, las pérdidas por fricción en la tubería, accesorios e intercambiadores de calor también aumentan, por lo que la participación de la válvula en la caída de presión disponible total disminuye. El resultado es la característica de flujo instalada, la curva que realmente se obtiene en servicio.
La consecuencia práctica es un cambio en el comportamiento aparente: una válvula lineal instalada en un sistema con una caída de presión variable significativa tiende a comportarse más como una válvula de apertura rápida, ganando la mayor parte de su caudal al inicio del recorrido, mientras que una válvula de igual porcentaje tiende a aplanarse y comportarse más como una lineal. Exactamente por esto el trim de igual porcentaje es la elección por defecto para la mayoría de los lazos de control. Se sobrecorregirá deliberadamente en el laboratorio para que, una vez instalada, se estabilice en algo más cercano a una respuesta lineal y controlable en el rango de trabajo.
Un dimensionamiento correcto del Cv mantiene una válvula trabajando en su rango controlable durante años, pero el trim se desgasta, los actuadores se desajustan y las caídas de presión cambian a medida que los filtros se obstruyen y las bombas envejecen, por lo que la característica instalada para la que dimensionó hoy no está garantizada mañana. Fabrico lee la condición de la máquina y el OEE directamente de la línea, usando visión por computador para detectar deriva y desgaste que los sensores por sí solos no captan, y enrutando automáticamente una orden de trabajo en el momento en que aparece una pérdida real para que una válvula que se atasca o está sobredimensionada se arregle antes de que cueste un lote. Está construida y alojada en la UE con residencia de datos en la UE, y opera bajo ISO 27001, ISO 20000-1 e ISO 9001. Reserva una demo de Fabrico.
No existe un "buen" Cv universal; depende completamente del caudal requerido, la gravedad específica del fluido y la caída de presión disponible en sus condiciones de operación. Calcule el Cv requerido en los caudales mínimo, normal y máximo usando la ecuación de dimensionamiento, y luego seleccione una válvula cuya curva de Cv cubra ese rango con el obturador en una parte controlable de su recorrido.
Sí. Kv es aproximadamente 0.865 veces Cv, y Cv es aproximadamente 1.156 veces Kv. Convierta siempre antes de comparar hojas de datos de fabricantes que usan convenciones de unidades diferentes.
Ese es el comportamiento previsto. El trim de igual porcentaje entrega cambios de caudal pequeños al inicio del recorrido y cambios mayores hacia el final, en una curva logarítmica, específicamente para contrarrestar el hecho de que la participación de la válvula en la caída de presión del sistema es mayor a caudal bajo y menor a caudal alto. Una vez instalada, esto típicamente se aplana hacia algo más cercano a una respuesta lineal.
La rangeability es una propiedad medida en laboratorio de la válvula y el trim, medida con caída de presión constante. El turndown es la relación usable real entre caudal máximo y mínimo una vez que la válvula está instalada en un sistema real con caída de presión variable y ruido de proceso, y casi siempre es inferior a la rangeability nominal.
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