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UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE SANTA ELENA MODULO: FACILIDADES DE SUPERFICIE CAPÍTULO 1: Principios del flujo monofásico y bifásico por tuberías Ing. Edison Brito, MSc. 1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE F...

UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE SANTA ELENA MODULO: FACILIDADES DE SUPERFICIE CAPÍTULO 1: Principios del flujo monofásico y bifásico por tuberías Ing. Edison Brito, MSc. 1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO Introducción al flujo multifásico En las tuberías, el flujo de gas y líquido ocurre frecuentemente y la precisión del cálculo de la caída de presión es muy importante en la industria del petróleo. Las mezclas de gas y líquido son transportadas a grandes distancias lo que ocasiona caídas de presión que influyen en el diseño del sistema. Las caídas de presión en el flujo multifásico son diferentes al de una sola fase, ya que en la mayoría de los casos existe una interfase, el gas se desliza dejando atrás el líquido lo que ocasiona superficies de Volveremos diferentes tipos de rigidez, dependiendo del patrón de flujo. a ver esto en la slide 26 Cada fase fluye a través de un área más pequeña, provocando grandes caídas de presión comparado con el flujo en una sola fase. 2  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO Ecuaciones Fundamentales La ecuación para el flujo de fluidos en tuberías que se utiliza para cualquier fluido (monofásico o multifásico), y para cualquier ángulo (flujo ascendente) es la siguiente: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Ecu. (1) = 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 + 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 + 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Si tomamos las pérdidas de presión (Δp) como consecuencia de la distancia (ΔL), podemos escribir la ecuación en términos del gradiente de presión comúnmente usado en unidades de psi/pie. 𝒅𝑷 𝒅𝑷 𝒅𝑷 𝒅𝑷 Ecu. (2) = + + 𝒅𝑳𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝑳𝒆𝒍𝒆𝒗. 𝒅𝑳𝒇𝒓𝒊𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒅𝑳𝒂𝒄𝒆𝒍. 3  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO El componente de elevación para flujo vertical o inclinado es por mucho el más importante de los tres componentes, ya que para flujo vertical, contribuye generalmente en más del 80% de las pérdidas totales, y puede abarcar un rango de 70 a 98%. Es también el más difícil para evaluar adecuadamente, debido a que muchas variables tienen efecto sobre él. 4 1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO Posteriormente se afrontará la caída de presión pero esto se relaciona a otras variables y junto al patrón de flujo, deben calcularse. Se necesita valores de condiciones de flujo tal como velocidad y propiedades de fluido, así como densidad, viscosidad y en algunos casos como tensión superficial. Analizaremos algunas de las propiedades más importantes, las cuales deben ser estudiadas antes de adaptar las ecuaciones de gradiente de presión para las condiciones de dos fases. En este trabajo, el flujo de dos fases emplea gas-líquido. Sin embargo la fase líquida puede incluir dos fluidos inmiscibles tal como agua y petróleo. 5  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas a) RESBALAMIENTO DE LÍQUIDO. (HOLD-UP) HL El resbalamiento de líquido, HL es definido como la fracción de un elemento de tubería, el cual es ocupado por el líquido en algún momento. Esto es: 𝑉𝐿 Ecu. (3) 𝐻𝐿 = 𝑉𝑃 HL = Colgamiento de líquido, VL = Volumen de líquido en la sección de tubería, Vp = Volumen de la sección de tubería. Esta relación de volúmenes depende de la cantidad de líquido y gas que fluyen simultáneamente en la tubería, por lo que si la mezcla es homogénea, el fenómeno de colgamiento se considera despreciable. El valor del resbalamiento de líquido varía desde cero para flujo de gas de una sola fase, a uno para flujo de líquido de una sola fase. El remanente del segmento de tubería es ocupado por gas, el cual es referido como un hold up de gas o fracción ocupada por gas. 𝑯𝒈 = 𝟏 − 𝑯𝑳 Ecu. (4) 6  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas b) Fracción de líquido sin deslizamiento. La elevación de líquido no volátil (𝜆𝐿 ), a veces llamado contenido líquido de entrada, es definido como la razón de volumen del líquido en un elemento de tubería, el cual existiría si el gas y el líquido viajan a la misma velocidad (no evaporarse) esto puede calcularse directamente del caudal de flujo instantáneo con el líquido y gas conocidos, usando: 𝑞𝐿 𝑉𝑆𝐿 Ecu. (5) 𝜆𝐿 = = 𝑞𝐿 + 𝑞𝑔 𝑉𝑚 qL = Es la suma de caudales de petróleo más agua instantáneo, qg = Es el caudal de flujo de gas instantáneo, VsL = velocidad superficial del líquido, Vm = velocidad superficial total. El hold up de gas sin deslizamiento (no slip) es definido: 𝝀𝒈 = 𝟏 − 𝝀𝑳 Ecu. (6) 7  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas b) Fracción de líquido sin deslizamiento. La elevación de líquido no volátil (𝜆𝐿 ), en unidades de campo (transporte de hidrocarburos) sería: 1 Ecu. (7) 𝜆𝐿 = = 𝑞𝑜 𝑅 − 𝑅𝑠 𝐵𝑔 1+ 5.615(𝑞𝑜 𝐵𝑜 + 𝑞𝑤 𝐵𝑤 ) qL = Es la suma de caudales de petróleo más agua instantáneo, qg = Es el caudal de flujo de gas instantáneo, VsL = velocidad superficial del líquido, Vm = velocidad superficial total. c) Velocidades superficiales. Es la velocidad que tendría cualquiera de las fases si ocupara toda la tubería. Se define por las expresiones siguientes: 𝒒𝑳 𝒒𝒈 Ecu. (8) 𝑽𝒔𝑳 = , 𝑽𝒔𝒈 = 𝑨𝒑 𝑨𝒑 8  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas c) Velocidades superficiales. 𝑉𝑚 = 𝑉𝑠𝐿 + 𝑉𝑠𝑔 Ecu. (9) Cuando se produce por el espacio anular, el área transversal al flujo es: 𝜋 2 2 Ecu. (10) 𝐴𝑝 = 𝑑 − 𝑑𝑡𝑒 4 𝑐𝑖 dci = diámetro interior del casing, dte =diámetro exterior tubería. Cuando es un área normal, solo cambiar por (𝑑𝑒2 − 𝑑𝑖2 ). Por lo que las ecuaciones de Vsl y Vsg son: 𝒒𝒐 𝑩 𝒐 + 𝒒𝒘 𝑩 𝒘 Ecu. (11) 𝑽𝒔𝑳 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟏𝟗𝟏 𝒅𝟐𝒆 − 𝒅𝟐𝒊 𝒒𝒐 𝑹 − 𝑹𝒔 𝑩𝒈 Ecu. (12) 𝑽𝒔𝒈 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟐𝟏𝟐𝟐 𝒅𝟐𝒆 − 𝒅𝟐𝒊 9  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas d) Velocidad real. Aplicando el concepto de colgamiento, se puede obtener la velocidad real correspondiente a cada fase: 𝑉𝑠𝐿 𝑉𝑠𝑔 Ecu. (13) 𝑉𝐿 = , 𝑉𝑔 = 𝐻𝐿 1 − 𝐻𝐿 e) Densidad de la mezcla de fluidos. La densidad real de la mezcla de fluidos se obtiene a partir del colgamiento con: 𝝆𝒎 = 𝝆𝑳 𝑯𝑳 + 𝝆𝒈 (𝟏 − 𝑯𝑳 ) Ecu. (14) Algunos autores calculan la densidad de la mezcla sin considerar el resbalamiento entre las fases, esto es: 𝝆𝒏𝒔 = 𝝆𝑳 𝝀𝑳 + 𝝆𝒈 (𝟏 − 𝝀𝑳 ) Ecu. (15) También puede obtenerse esta densidad a partir de la expresión siguiente: 10  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas e) Densidad de la mezcla de fluidos. También puede obtenerse esta densidad a partir de la expresión siguiente: 𝑴 Ecu. (16) 𝝆𝒏𝒔 = 𝑽𝒎 Utilizando algunas técnicas matemáticas en la ecuación 16, la densidad de la mezcla podría ser: 𝟑𝟓𝟎. 𝟓 𝜸𝒐 + 𝜸𝒘 ∙ 𝑾𝑶𝑹 + 𝟎. 𝟎𝟕𝟔𝟒𝑹 ∙ 𝜸𝒈 Ecu. (17) 𝝆𝒏𝒔 = 𝟓. 𝟔𝟏𝟓 𝑩𝒐 + 𝑩𝒘 ∙ 𝑾𝑶𝑹 + 𝑹 − 𝑹𝒔 𝑩𝒈 11  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas f) Gasto de masa. Se define por la siguiente expresión: 𝒍𝒃𝒎 𝒅𝒆 𝒍í𝒒𝒖𝒊𝒅𝒐 + 𝒈𝒂𝒔 Ecu. (18) 𝑾𝒎 = 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐 Y puede obtenerse con cualquiera de las ecuaciones siguientes: Ecu. (19) 12  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas g) Viscosidad de la mezcla. La viscosidad del fluido, es usada para calcular el número de Reynolds y otros números adimensionales usados como parámetros de correlación. El concepto de una viscosidad bifásica es además incierto y es definida de forma diferente por varios autores. La viscosidad de una mezcla de agua-petróleo es generalmente calculada usando la fracción de agua y del petróleo como un factor de peso: 𝝁𝑳 = 𝒇𝒐 𝝁𝒐 + 𝒇𝒘 𝝁𝒘 Ecu. (20) La siguiente ecuación ha sido usada para calcular una viscosidad bifásica. 𝝁𝒎 = 𝝀𝑳 𝝁𝑳 + 𝝀𝒈 𝝁𝒈 (sin deslizamiento) Ecu. (21) 𝑯 𝑯𝒈 Ecu. (22) 𝝁𝒔 = 𝝁𝑳 𝑳 ∙ 𝝁𝒈 (sin deslizamiento) 13  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas g) Viscosidad de la mezcla. fo y fw pueden ser determinados por: 14  1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.1. Variables de fluido requeridas g) Tensión superficial. Las correlaciones para la tensión interfacial entre el petróleo crudo, gas natural y agua están en función de la temperatura y presión que son dadas posteriormente. La tensión interfacial también dependen de otras propiedades del fluido así como la gravedad del petróleo, gravedad del gas y gas disuelto. Entonces si la fase líquida contiene petróleo y agua, algunos factores de peso son usados para calcular la densidad y viscosidad. Así como: 𝝈 𝑳 = 𝒇𝒐 𝝈 𝒐 + 𝒇𝒘 𝝈 𝒘 Ecu. (23) 𝝈𝒐 = Tensión superficial del petróleo, 𝝈𝒘 = Tensión superficial del agua. 15 1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.2. Patrones de flujo La diferencia básica entre flujo de una sola fase y bifásico es que en este último la fase gaseosa y líquida pueden estar distribuidas en la tubería en una variedad de configuraciones de flujo, las cuales difieren unas de otras por la distribución especial de la interfase, resultando en características diferentes de flujo tales como los perfiles de velocidad y hold up. La existencia de patrones de flujo en un sistema bifásico dado depende de las siguientes variables: ▪ Parámetros operacionales, es decir, tasas de flujo de gas y líquido. ▪ Variables geométricas incluyendo diámetro de la tubería y ángulo de inclinación. ▪ Las propiedades físicas de las dos fases, tales como; densidades, viscosidades y tensiones superficiales del gas y del líquido 16 1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.2. Patrones de flujo 17 1.2. FLUJO BIFÁSICO EN TUBERÍAS Y DETERMINACIÓN DEL PATRÓN DE FLUJO 1.2.2. Patrones de flujo También, los patrones de flujo son generalmente reportados para cualquier inclinación o para un estrecho rango de ángulos de inclinación. Un intento para definir un grupo aceptable de patrones de flujo ha sido dado por Shoham (1982). Las diferencias son basadas en datos experimentales adquiridos sobre un amplio rango de inclinación, es decir, flujo horizontal, flujo inclinado hacia arriba y hacia abajo y flujo vertical hacia arriba y hacia abajo. Es decir los patrones se pueden diferenciar entre si se trata de un flujo horizontal o flujo vertical. 18  A. Patrones de flujo para Flujo Horizontal y cercanamente Horizontal. A.1) Flujo segregado (Estratificado, ondular o anular) (Segregado estratificado). Este patrón de flujo se presenta relativamente a bajos gastos de gas y líquido, para el cual las dos fases son separadas por efecto de la gravedad, donde el líquido fluye en el fondo de la tubería y el gas en la parte superior. (Segregado ondulado). Éste régimen de flujo se presenta a gastos mas altos que en el estratificado, con presencia de ondas estables en la interfase. (Segregado anular). El flujo anular se presenta a muy altos gastos de flujo de gas. La fase gaseosa fluye como un núcleo a alta velocidad, el cual puede llevar gotas de líquido atrapadas. La fase líquida fluye como una película delgada pegada a la pared interna de la tubería, generalmente, esta película es más gruesa en el fondo que en la pared superior de la tubería, dependiendo de la magnitud relativa de los gastos de flujo de gas y líquido. 19  A. Patrones de flujo para Flujo Horizontal y cercanamente Horizontal. A.2) Flujo intermitente (Tapón o Bache) Este flujo es caracterizado por el flujo alternado de líquido y gas, fluyendo sucesivamente tapones o baches de líquido ocupando completamente el área transversal de la tubería, separados por bolsas o burbujas de gas, el cual contiene una capa estratificada de líquido que a su vez se desplaza en el fondo de la tubería. (Intermitente Tapón). Es considerado como el caso límite del flujo bache, cuando el bache de líquido está libre de burbujas, lo cual ocurre a gastos de gas relativamente bajos cuando el flujo es menos turbulento. (Intermitente Bache). A altos gastos de gas, donde el flujo en el frente del bache está en forma de un remolino (debido al recogimiento del movimiento lento de la película) se denomina flujo bache. 20  A. Patrones de flujo para Flujo Horizontal y cercanamente Horizontal. A.3) Flujo distribuido (Burbuja o Niebla) (Distribuido Burbuja). En este tipo de patrón de flujo la tubería se encuentra casi llena de líquido y la fase de gas libre es pequeña. El gas está presente en pequeñas burbujas distribuidas aleatoriamente, al igual que sus diámetros. Las burbujas se mueven a diferentes velocidades dependiendo de sus respectivos diámetros, el líquido se mueve a una velocidad bastante uniforme y, a excepción de la densidad, la fase de gas tiene un efecto mínimo en el gradiente de presión. (Distribuido Niebla). En este patrón la fase continua es el gas, el cual arrastra y transporta al líquido. El líquido deja una película en la pared de la tubería, pero sus efectos son secundarios, el gas es el factor predominante. 21 A. Patrones de flujo para Flujo Horizontal y cercanamente Horizontal. 22 B. Patrones de flujo para Flujo Vertical y Fuertemente Inclinado B.1) Flujo Monofásico En este patrón de flujo el fluido viaja en una sola fase, como su nombre lo indica, ya sea líquido o gas. Si viaja puro líquido el colgamiento es igual a 1. B.2) Flujo Burbuja El mismo concepto que en flujo horizontal distribuido burbuja. B.3) Flujo Tapón Aquí la fase de gas es más pronunciada, aunque la fase líquida sigue siendo continua las burbujas de gas se unen y forman burbujas estables de aproximadamente el mismo tamaño y forma que la tubería (que están rodeadas por una película de líquido), y son separadas por tramos de líquido. La velocidad de la burbuja es mayor que la del líquido y puede ser predicho en relación a la velocidad del bache de líquido. 23 B. Patrones de flujo para Flujo Vertical y Fuertemente Inclinado B.4) Flujo Transición El cambio de una fase continua de líquido a una continua de gas ocurre en este patrón de flujo. El bache de líquido entre las burbujas virtualmente desaparece, y la fase gaseosa arrastra una cantidad significativa de líquido, aunque los efectos del líquido son significativos, el gas es el que predomina. B.5) Flujo Neblina En este patrón la fase continua es el gas, el cual arrastra y transporta al líquido. El líquido deja una película en la pared de la tubería, pero sus efectos son secundarios, el gas es el factor predominante. 24 B. Patrones de flujo para Flujo Vertical y Fuertemente Inclinado 25 1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.1. Correlaciones de los Patrones de flujo En las tuberías, el flujo de gas y líquido ocurre frecuentemente y la precisión del cálculo de la caída de presión es muy importante en la industria del petróleo. Las mezclas de gas y líquido son transportadas a grandes distancias lo que ocasiona caídas de presión que influyen en el diseño del sistema. Las caídas de presión en el flujo multifásico son diferentes al de una sola fase, ya que en la mayoría de los casos existe una interfase, el gas se desliza dejando atrás el líquido lo que ocasiona superficies de diferentes tipos de rigidez, dependiendo del patrón de flujo. Cada fase fluye a través de un área más pequeña, provocando grandes caídas de presión comparado con el flujo en una sola fase. 26  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.1. Correlaciones de los Patrones de flujo Descripción de correlaciones de flujo multifásico en tuberías. Existen muchas correlaciones empíricas generalizadas para predecir los gradientes de presión. Dichas correlaciones se clasifican en: ◈ Las correlaciones Tipo A, que consideran que no existe deslizamiento entre las fases y no establecen patrones de flujo, entre ellas: Poettman & Carpenter, Baxendell & Thomas y Fancher & Brown. ◈ Las correlaciones Tipo B, que consideran que existe deslizamiento entre las fases, pero no toman en cuenta los patrones de flujo, dentro de ésta categoría la Hagedorn & Brown. ◈ Las correlaciones Tipo C, que consideran que existe deslizamiento entre la fases y los patrones de flujo, entre ellas: Duns & Ros, Orkiszweski, Aziz & colaboradores, Chierici & colaboradores, y Beggs & Brill. 27  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.1. Correlaciones de los Patrones de flujo Descripción de correlaciones de flujo multifásico en tuberías. Entre las correlaciones para flujo multifásico que cubren amplio rango de tasa de producción y todos los tamaños típicos de tuberías se encuentran, Para flujo horizontal: Beegs & Brill, Duckler y colaboradores, Eaton y colaboradores, etc. y Para flujo vertical: Hagedorn & Brown, Duns & Ros, Orkiszewski, Beggs & Brill, Ansari, etc. Debido a la variedad de correlaciones 28  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.2. FLUJO MULTIFÁSICO EN TUBERÍAS VERTICALES 29  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.2. FLUJO MULTIFÁSICO EN TUBERÍAS VERTICALES Cuando el flujo es vertical las caídas de presión por aceleración son muy pequeñas, por lo que el gradiente de presión debido a la misma generalmente se desprecia, quedando la ecuación de la siguiente forma: ∆𝑷𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = ∆𝒑𝑳 + ∆𝒑𝒇 Ecu. (23) A. Correlación de Orkiszewski. La correlación de Orkiszewski fue resultado de un análisis de muchos de los métodos publicados para determinar si alguno de ellos son lo bastante extensos para predecir con precisión la caída de presión para una amplia gama de condiciones del pozo. 30  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.2. FLUJO MULTIFÁSICO EN TUBERÍAS VERTICALES A. Correlación de Orkiszewski. Orkiszewski enfatizó que el colgamiento de líquido fuera derivado del fenómeno físico observado y que el gradiente de presión fuera relacionado a la distribución geométrica de la fase de líquido y gas, por lo que determinó que la densidad de la mezcla se determinara mediante el colgamiento, considerando en ella el resbalamiento entre las fases. El factor de fricción se correlacionó con las propiedades del fluido en la fase continua. Él reconoció cuatro tipos de patrones de flujo e hizo correlaciones separadas para establecer la velocidad de resbalamiento y fricción para cada uno de los patrones. Los patrones son burbuja, bache, transición (bache-niebla) y niebla. 31  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.2. FLUJO MULTIFÁSICO EN TUBERÍAS VERTICALES A. Correlación de Orkiszewski. Considerando similitudes en conceptos teóricos y diferentes categorías, Orkiszewski comparó cinco métodos seleccionados y determinó la cantidad de desviación entre las caídas de presión medidas y predichas. Orkiszewski observó que los mejores resultados, bajo ciertas condiciones de flujo, se obtenían con los métodos de Griffith y Wallis, y Duns y Ros, por lo que tomó estas correlaciones como base para desarrollar su método, combinándolas para los diferentes patrones de flujo considerados. 32  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.2. FLUJO MULTIFÁSICO EN TUBERÍAS VERTICALES A. Correlación de Orkiszewski. Procedimiento de cálculo. 1) Selecciona el punto donde se va a comenzar, ya sea en la cabeza del pozo o en el fondo del pozo. 2) Determinar el gradiente de temperatura del pozo. 3) Fijar una Δp que puede ser la de la superficie o la del fondo del incremento. Encontrar la 𝑝ҧ de ese incremento. 4) Suponer un incremento de profundidad Δh, y determinar la profundidad promedio ℎത del incremento. 5) Del gradiente de temperatura, determinar la T. 33  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.2. FLUJO MULTIFÁSICO EN TUBERÍAS VERTICALES A. Correlación de Orkiszewski. Procedimiento de cálculo. 6) Determinar las propiedades de los fluidos a 𝑝ҧ y 𝑇ത , así como 𝜌𝐿 , 𝜌𝑔 , 𝑉𝑠𝐿 , 𝑉𝑠𝑔 , 𝑉𝑚 , 𝜇𝐿 , 𝜇𝑔 , 𝑁𝑔𝑣 , 𝑁𝐿𝑣 con las ecuaciones de los capítulos anteriores. 7) Determine 𝐿𝐵 , 𝐿𝑆 y 𝐿𝑀 para poder obtener el tipo de régimen de flujo de la siguiente tabla: 34  1.3. CAÍDAS DE PRESÍÓN PARA FLUJO BIFÁSICO 1.3.2. FLUJO MULTIFÁSICO EN TUBERÍAS VERTICALES A. Correlación de Orkiszewski. Procedimiento de cálculo. Donde 𝐿𝐵 , 𝐿𝑆 y 𝐿𝑀 son los límites de burbuja-bache, bache-transición, transición-niebla respectivamente, adimensionales, y Ngv se calcula con la ecuación 35  UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE SANTA ELENA MODULO: FACILIDADES DE SUPERFICIE CAPÍTULO 4: Válvulas. Andrés Brito……….. Email: Phone: 4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. ¿Qué es una válvula de control?. Las plantas de proceso constan de cientos, o incluso miles, de lazos de control, todos conectados en red para producir un producto que se ofrece a la venta. Cada uno de estos lazos de control está diseñado para mantener alguna variable importante del proceso, como presión, flujo, nivel, temperatura, etc., dentro de un rango operativo requerido para garantizar la calidad del producto final. Cada uno de estos bucles recibe y crea internamente perturbaciones que afectan negativamente a la variable del proceso, y la interacción de otros bucles en la red genera perturbaciones que influyen en la variable del proceso. Para reducir el efecto de estas perturbaciones de carga, los sensores y transmisores recopilan información sobre la variable del proceso y su relación con algún punto de ajuste deseado. 2 4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. ¿Qué es una válvula de control?. Luego, un controlador procesa esta información y decide qué se debe hacer para que la variable del proceso regrese a donde debería estar después de que ocurra una perturbación de carga. Cuando se hayan realizado todas las mediciones, comparaciones y cálculos, algún tipo de elemento de control final debe implementar la estrategia seleccionada por el controlador. El elemento de control final más común en las industrias de control de procesos es la válvula de control. La válvula de control manipula un fluido que fluye, como gas, vapor, agua o compuestos químicos, para compensar la perturbación de la carga y mantener la regulación variable del proceso lo más cerca posible del punto de ajuste deseado. 3 4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. ¿Qué es una válvula de control?. Muchas personas que hablan de válvulas de control o válvulas en realidad se están refiriendo a un conjunto de válvulas de control. El conjunto de la válvula de control generalmente consiste en el cuerpo de la válvula, las partes internas de los internos, un actuador para proporcionar la fuerza motriz para operar la válvula y una variedad de accesorios de válvula adicionales, que pueden incluir posicionadores, transductores, reguladores de presión de suministro, operadores manuales, amortiguadores o interruptores de límite. 4 4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. ¿Qué es una válvula de control?. Ya sea que se llame válvula, válvula de control o conjunto de válvula de control, no es tan importante como reconocer que la válvula de control es una parte crítica del circuito de control. No es exacto decir que la válvula de control es la parte más importante del circuito. Es útil pensar en un lazo de control como una cadena de instrumentación. Como cualquier otra cadena, toda la cadena es tan buena como su eslabón más débil. Es importante asegurarse que la válvula de control no sea el eslabón más débil. Las siguientes son definiciones para control de procesos, válvula de control de vástago deslizante, válvula de control de eje rotatorio y otras funciones y terminología de características de válvulas de control. 5  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Accesorio: un dispositivo que se monta en el actuador para complementar la función del actuador y convertirlo en una unidad operativa completa. Los ejemplos incluyen posicionadores, reguladores de presión de suministro, solenoides e interruptores de límite.  Actuador*: Un dispositivo neumático, hidráulico o eléctrico que suministra fuerza y movimiento para abrir o cerrar una válvula.  Conjunto Actuador: Un actuador, incluyendo todos los accesorios pertinentes que lo convierten en una unidad operativa completa. 6  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Backlash (Contragolpe): el nombre general dado a una forma de banda muerta que resulta de una discontinuidad temporal entre la entrada y la salida de un dispositivo cuando la entrada del dispositivo cambia de dirección. La holgura o la flojedad de una conexión mecánica es un ejemplo típico.  Capacidad* (Válvula): La tasa de flujo a través de una válvula bajo condiciones establecidas.  Ciclo o sistema cerrado: La interconexión de los componentes de control de procesos de modo que la información sobre la variable del proceso se retroalimenta continuamente al punto de ajuste del controlador para proporcionar correcciones continuas y automáticas a la variable del proceso. 7  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Controlador: Un dispositivo que opera automáticamente mediante el uso de algún algoritmo establecido para regular una variable controlada. La entrada del controlador recibe información sobre el estado de la variable del proceso y luego proporciona una señal de salida adecuada al elemento de control final.  Rango de control: el rango de recorrido de la válvula en el que una válvula de control puede mantener la ganancia de la válvula instalada entre los valores normalizados de 0,5 y 2,0.  Conjunto de la válvula de control: incluye todos los componentes que normalmente se montan en la válvula: el conjunto del cuerpo de la válvula, el actuador, el posicionador, los juegos de aire, los transductores, los interruptores de límite, etc. 8  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Banda muerta: El rango a través del cual se puede variar una señal de entrada, al invertir la dirección, sin iniciar un cambio observable en la señal de salida. Banda muerta es el nombre que se le da a un fenómeno general que se puede aplicar a cualquier dispositivo. Para el conjunto de válvulas, la salida del controlador (CO) es la entrada al conjunto de válvulas y la variable de proceso (PV) es la salida, como se muestra en la figura 1-1. Cuando se utiliza el término banda muerta, es esencial que se identifiquen tanto las variables de entrada como las de salida, y que cualquier prueba para medir la banda muerta se realice en condiciones de carga completa. La banda muerta generalmente se expresa como un porcentaje del intervalo de entrada. 9  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Tiempo muerto: el intervalo de tiempo (Td) en el que no se detecta ninguna respuesta del sistema después de una pequeña entrada de paso (normalmente 0,25 % - 5 %). Se mide desde el momento en que se inicia la entrada de paso hasta la primera respuesta detectable del sistema que se está probando. El tiempo muerto puede aplicarse a un conjunto de válvula o a todo el proceso.  Disco: un elemento de ajuste de la válvula que se utiliza para modular el caudal con movimiento lineal o giratorio. También puede denominarse tapón de válvula o elemento de cierre. 10  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Fricción: La fuerza de fricción es una función de la fuerza normal que mantiene juntas estas dos superficies y la naturaleza característica de las dos superficies. La fricción tiene dos componentes: fricción estática y fricción dinámica. La fricción estática es la fuerza que debe vencerse antes de que haya movimiento relativo entre las dos superficies. Una vez que ha comenzado el movimiento relativo, la fricción dinámica es la fuerza que debe superarse para mantener el movimiento relativo. La fricción de carrera o deslizamiento son términos coloquiales que a veces se usan para describir la fricción dinámica. Stick/slip o “stiction” son términos coloquiales que a veces se usan para describir la fricción estática. La fricción estática es una de las principales causas de la banda muerta en un conjunto de válvulas. 11  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Ganancia: En su sentido más general, la ganancia es la relación entre la magnitud del cambio de salida de un sistema o dispositivo dado y la magnitud del cambio de entrada que provocó el cambio de salida. La ganancia tiene dos componentes: ganancia estática y ganancia dinámica. La ganancia estática es la relación de ganancia entre la entrada y la salida y es un indicador de la facilidad con la que la entrada puede iniciar un cambio en la salida cuando el sistema o dispositivo se encuentra en estado estable. La sensibilidad a veces se usa para referirse a la ganancia estática. La ganancia dinámica es la relación de ganancia entre la entrada y la salida cuando el sistema está en un estado de movimiento o flujo. La ganancia dinámica es una función de la frecuencia o tasa de cambio de la entrada. 12  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Histéresis*: La diferencia máxima en el valor de salida para cualquier valor de entrada individual durante un ciclo de calibración, excluyendo los errores debidos a la banda muerta.  Característica inherente*: La relación entre el coeficiente de flujo y el recorrido del elemento de cierre (disco) a medida que se mueve desde la posición cerrada hasta el recorrido nominal con una caída de presión constante en la válvula. Por lo general, estas características se trazan en una curva donde el eje horizontal se etiqueta como porcentaje de recorrido y el eje vertical se etiqueta como porcentaje de flujo (o Cv) (figura 1-2). Debido a que el flujo de la válvula es una función tanto del recorrido de la válvula como de la caída de presión a través de la válvula, realizar pruebas de características de flujo a una caída de presión constante proporciona una forma sistemática de comparar un diseño de características de válvula con otro. 13  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control. Las características típicas de las válvulas realizadas de esta manera se denominan lineales, de igual porcentaje y de apertura rápida (figura 1-2). ◈ Ganancia inherente de la válvula: la relación entre la magnitud del cambio en el flujo a través de la válvula y el cambio en el recorrido de la válvula en condiciones de caída de presión constante. La ganancia inherente de la válvula es una función inherente del diseño de la válvula. Es igual a la pendiente de la curva característica inherente en cualquier punto de carrera y es una función de la carrera de la válvula. 14  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  I/P: abreviatura de corriente a presión (I-to-P). Normalmente se aplica a los módulos transductores de entrada.  Linealidad*: La proximidad a la que una curva relacionada con dos variables se aproxima a una línea recta. (La linealidad también significa que se aplicará la misma línea recta tanto para las direcciones ascendentes como descendentes. Por lo tanto, la banda muerta, tal como se definió anteriormente, normalmente se consideraría una no linealidad).  Ganancia de ciclo: la ganancia combinada de todos los componentes del bucle cuando se ven en serie alrededor del ciclo. A veces se denomina ganancia de bucle abierto. Debe especificarse claramente si se refiere a la ganancia de ciclo estático oca la ganancia de bucle dinámico en alguna frecuencia. 15  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Ciclo abierto: La condición en la que la interconexión de los componentes de control del proceso se interrumpe de tal manera que la información de la variable del proceso ya no se retroalimenta al punto de ajuste del controlador, por lo que ya no se proporcionan correcciones a la variable del proceso. Esto generalmente se logra colocando el controlador en la posición de operación manual.  Empaquetadura: una parte del conjunto de la válvula que se usa para sellar contra fugas alrededor del disco o vástago de la válvula.  Relé: Un dispositivo que actúa como un amplificador de potencia. Toma una señal de entrada eléctrica, neumática o mecánica y produce una salida de un gran volumen de flujo de aire o fluido hidráulico al actuador. El relé puede ser un componente interno del posicionador o un accesorio de válvula independiente. 16  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Resolución: El mínimo cambio posible en la entrada requerido para producir un cambio detectable en la salida cuando no ocurre inversión de la entrada. La resolución normalmente se expresa como un porcentaje del intervalo de entrada.  Tiempo de respuesta: generalmente medido por un parámetro que incluye tiempo muerto y constante de tiempo.  Sensor: Un dispositivo que detecta el valor de la variable de proceso y proporciona una señal de salida correspondiente a un transmisor. El sensor puede ser una parte integral del transmisor o puede ser un componente separado. 17  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Shaft Wind-Up (Arrollamiento del eje): Un fenómeno en el que un extremo del eje de una válvula gira y el otro no. Esto ocurre típicamente en válvulas de estilo rotatorio donde el actuador está conectado al miembro de cierre de la válvula por un eje relativamente largo. Mientras que la fricción del sello en la válvula mantiene un extremo del eje en su lugar, la rotación del eje en el extremo del actuador se absorbe girando el eje hasta que la entrada del actuador transmite suficiente fuerza para vencer la fricción.  Dimensionamiento (válvula): procedimiento sistemático diseñado para garantizar la capacidad correcta de la válvula para un conjunto de condiciones de proceso específicas. 18  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Travel (Recorrido*): El movimiento del elemento de cierre desde la posición cerrada hasta una posición intermedia o completamente abierta. Indicador de recorrido: puntero y escala que se utilizan para mostrar externamente la posición del miembro de cierre, generalmente con unidades de porcentaje de apertura de recorrido o grados de rotación.  Trim*: Los componentes internos de una válvula que modulan el flujo del fluido controlado.  Amplificador de volumen: un relé independiente a menudo se denomina amplificador de volumen o simplemente amplificador porque aumenta o amplifica el volumen de aire suministrado al actuador. 19  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  ANSI: Abbreviation for American National Standards Institute.  API: Abbreviation for American Petroleum Institute.  ASME: Abbreviation for American Society of Mechanical Engineers.  ASTM: Abbreviation for American Society for Testing and Materials.  Sistema de Control Automático*: Un sistema de control que opera sin intervención humana.  Diagrama de Bode*: Una gráfica de la relación de amplitud logarítmica y los valores del ángulo de fase en una base de frecuencia logarítmica para una función de transferencia. Es la forma más común de presentar gráficamente los datos de respuesta de frecuencia. 20  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Curva de calibración*: una representación gráfica del informe de calibración. Salida de estado estacionario de un dispositivo representada en función de su entrada de estado estacionario. La curva generalmente se muestra como un intervalo de salida porcentual versus un intervalo de entrada porcentual.  Ciclo de Calibración*: La aplicación de valores conocidos de la variable medida y el registro de los valores correspondientes de las lecturas de salida, sobre el rango del instrumento, en sentido ascendente y descendente. Una curva de calibración obtenida variando la entrada de un dispositivo tanto en dirección creciente como decreciente. Por lo general, se muestra como un intervalo de salida porcentual frente a un intervalo de entrada porcentual y proporciona una medida de histéresis. 21  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Flujo de holgura: Aquel flujo por debajo del flujo mínimo controlable con el miembro general de cierre no asentado.  Controlador*: Un dispositivo que opera automáticamente para regular una variable controlada.  Entalpía: Cantidad termodinámica que es la suma de la energía interna de un cuerpo y el producto de su volumen por la presión: H = U + pV. (También llamado contenido de calor).  Entropía: La medida teórica de la energía que no se puede transformar en trabajo mecánico en un sistema termodinámico. 22  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Señal de retroalimentación*: La señal de retorno que resulta de una medición de la variable controlada directamente. Para una válvula de control con un posicionador, la señal de retorno suele ser una indicación mecánica de la posición del vástago del elemento de cierre que se retroalimenta al posicionador.  FCI: Abreviatura de Instituto de Control de Fluidos.  ISA: Abreviatura de Instrument Society of America. Ahora reconocida como la Sociedad Internacional de Medición y Control.  Presión del instrumento: La presión de salida de un controlador automático que se utiliza para operar una válvula de control. 23  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Presión de carga: La presión empleada para posicionar un actuador neumático. Esta es la presión que realmente funciona en el diafragma o pistón del actuador y puede ser la presión del instrumento si no se usa un posicionador de válvula.  Medio Operativo: Este es el fluido, generalmente aire o gas, usado para suministrar energía para la operación del posicionador de válvula o controlador automático.  Límites operativos*: el rango de condiciones operativas a las que se puede someter un dispositivo sin deterioro permanente de las características operativas.  Rango: La región entre los límites dentro de los cuales se mide, recibe o transmite una cantidad, expresada indicando los valores de rango inferior y superior (por ejemplo: 3 a 15 psi; -40 a +212 F; -40 a +100 C). 24  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Terminología en procesos de control.  Repetibilidad*: El grado de concordancia entre un número de mediciones consecutivas de la salida para el mismo valor de la entrada bajo las mismas condiciones de operación, acercándose desde la misma dirección, para recorridos de rango completo. Por lo general, se mide como no repetibilidad y se expresa como repetibilidad en porcentaje del intervalo. No incluye histéresis.  Sensibilidad*: La relación entre el cambio en la magnitud de la salida y el cambio de la entrada que lo causa después de que se haya alcanzado el estado estable.  Señal*: una variable física, uno o más parámetros de los cuales llevan información sobre otra variable que representa la señal.  Presión de suministro*: La presión en el puerto de suministro de un dispositivo. Los valores comunes de la presión de suministro de la válvula de control son 20 psig para un rango de 3 a 15 psig y 35 psig para un rango de 6 a 30 psig. 25  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. A partir de diversos fabricantes, se dispone de muchos tipos de válvulas y accesorios para su especificación e instalación en sistemas de flujo de fluidos. Las válvulas se utilizan para controlar la cantidad de flujo y pueden ser de globo, de ángulo, de compuerta, de mariposa, de retención de distintos tipos y de muchas configuraciones más. Vea en las figuras 10.15 a 10.22 algunos ejemplos. 26  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. 27 28  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. La capacidad de las válvulas de control para reducir la variabilidad del proceso depende de muchos factores. Se debe considerar más de un parámetro aislado. La investigación dentro de la industria ha encontrado que las características de diseño particulares del elemento de control final, incluidos la válvula, el actuador y el posicionador, son muy importantes para lograr un buen control del proceso en condiciones dinámicas. Lo que es más importante, el conjunto de la válvula de control debe optimizarse o desarrollarse como una unidad. 29  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Los componentes de válvulas que no están diseñados como un conjunto completo generalmente no brindan el mejor rendimiento dinámico. Algunas de las consideraciones de diseño más importantes incluyen:  banda muerta  Diseño de actuador/posicionador  Tiempo de respuesta de la válvula  Tipo y tamaño de válvula Cada una de estas características de diseño se considerará en este capítulo para proporcionar una idea de lo que constituye un superior diseño de válvula 30  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto La resistencia depende en gran medida de la trayectoria del fluido a medida que se desplaza hacia, a través de y desde la válvula. Una válvula con una trayectoria más restringida causará más pérdidas de energía. Por lo tanto, es necesario seleccionar cuidadosamente el tipo de válvula si se desea que el sistema esté diseñando de manera eficiente con pérdidas de energía relativamente bajas. 31  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto 32  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de globo. - La figura 10.15 muestra la construcción interna y la apariencia externa de la válvula de globo. Un giro de la manija hace que el dispositivo de sellado se eleve verticalmente hacia fuera del asiento. Es una de las válvulas más comunes y es relativamente barata. Sin embargo, es una de las válvulas de menor rendimiento en términos de pérdidas de energía. Observe que el factor de resistencia K es 33  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de globo. - Este factor de resistencia se encuentra entre los más altos de los listados en la tabla 10.4. Se usaría donde no hay problema real creado por la pérdida de energía. La pérdida de energía se produce porque el fluido debe recorrer una trayectoria compleja desde la entrada hasta la salida, trasladándose primero hacia arriba y luego hacia abajo alrededor del asiento de la válvula; después, gira de nuevo para dirigirse a la salida. Se crea mucha turbulencia. Otro uso de la válvula de globo es para estrangular el flujo en un sistema. El término estrangular se refiere a agregar deliberadamente resistencia al flujo para controlar la cantidad de fluido suministrado. 34  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de globo. - Un ejemplo es un grifo simple para una manguera de jardín. Usted puede optar por abrir la válvula por completo para obtener el máximo caudal de agua hacia su jardín o césped. Al cerrar parcialmente la válvula, sin embargo, se puede obtener un caudal menor para una aspersión más suave o para bañar el perro. Un cierre parcial de la válvula proporciona más restricción y aumenta la caída de presión desde la entrada hasta la salida. El resultado es un menor flujo. Si la válvula de globo se utilizara en un sistema de tuberías comercial, donde no es necesaria una estrangulación, habría un gran desperdicio de energía. Deberían considerarse válvulas más eficientes con valores más bajos de Le/D. 35  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de ángulo. - La figura 10.16 muestra la apariencia externa de la válvula de ángulo y un bosquejo de sus pasajes internos. La construcción es muy similar a la de la válvula de globo. Sin embargo, la trayectoria es un poco más sencilla porque el fluido entra a través del puerto inferior, se desplaza alrededor del asiento de la válvula, y vuelve a salir a la derecha. El factor de resistencia K es 36  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de compuerta. - La válvula de compuerta de la figura 10.17 se muestra en la posición cerrada. Al girar la manija, la compuerta se eleva verticalmente fuera de la trayectoria de flujo. Cuando la compuerta está completamente abierta, hay muy poca obstrucción en la trayectoria de flujo como para causar turbulencia en la corriente de flujo del fluido. Por lo tanto, éste es uno de los mejores tipos de válvula disponibles para limitar la pérdida de energía. El factor de resistencia K es 37  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de compuerta. - En una instalación dada, la válvula de compuerta completamente abierta tendría sólo 2.4% (8/340 * 100%) de la pérdida de energía causada por una válvula de globo. A menudo, el mayor costo de la válvula se justifica por el ahorro de energía obtenido durante la vida útil del sistema. La válvula de compuerta se podría utilizar para generar un estrangulamiento al cerrar parcialmente la válvula, con lo cual se coloca de nuevo la compuerta en la corriente de flujo en algún grado. En la tabla 10.4 se presentan datos muestrales para las posiciones parcialmente cerradas. Note que son altamente no lineales y se debe tener cuidado para obtener el caudal deseado mediante el estrangulamiento. También debe considerarse el desgaste producido en las guías y en las superficies de sellado. 38  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de compuerta. - Una versión modificada de una válvula de compuerta, llamada válvula de guillotina, es un elemento estándar que puede obtenerse con proveedores seleccionados. El diseño de este tipo de válvula es similar al de válvula de compuerta mostrado en la figura 10.17, excepto que la compuerta es una hoja delgada en lugar del estilo más grueso que se muestra. Las características de funcionamiento y los factores K de estos dos diseños son similares. Algunos usuarios prefieren la válvula de guillotina, especialmente al manipular fluidos más pesados o lodos que pueden contener cantidades importantes de sólidos. 39  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de retención. - La función de una válvula de retención es permitir el flujo en una dirección mientras se le detiene en la dirección opuesta. En la figura 10.26 se muestra un uso típico, donde una bomba de sumidero desplaza fluido desde un sumidero situado por debajo del nivel del piso hasta el exterior de una casa o edificio comercial para mantener seca un área subterránea. La bomba extrae el agua del sumidero y la obliga a pasar por la tubería de descarga. Cuando se reduce el nivel de agua en el sumidero hasta un grado aceptable, la bomba se apaga. 40  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de retención. - En ese momento, usted no desearía que el agua que estaba en la tubería fluyera hacia abajo a través de la bomba y volviera a llenar parcialmente el sumidero. El uso de una válvula de retención a la salida del puerto de descarga de la bomba impide que esto suceda. La válvula de retención se cierra inmediatamente cuando la presión que hay en el lado de salida excede la del lado de entrada. Las figuras 10.18 y 10.19 muestran dos tipos de válvula de retención, el tipo bola y el tipo oscilante. Existen otros diversos diseños disponibles. Cuando está abierta, la válvula de retención oscilante proporciona una restricción moderada al flujo del fluido, dando como resultado un factor de resistencia de 41  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de retención. - La retención de bola ocasiona mayor restricción porque el fluido debe fluir completamente alrededor de la bola. Sin embargo, la retención de bola suele ser más pequeña y más simple que la retención oscilante. Su resistencia es Un factor de aplicación importante para las válvulas de retención es que se requiere cierta velocidad de flujo mínima para provocar que la válvula abra completamente. A caudales más bajos, una válvula parcialmente abierta proporcionaría más restricción y pérdidas de energía más altas. Consulte los datos de los fabricantes para conocer la velocidad mínima requerida para un tipo particular de válvula. 42  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de mariposa. - La figura 10.20 muestra una fotografía en corte de una válvula de mariposa típica, en la que un disco relativamente delgado y liso pivotea alrededor de un eje vertical. Cuando la válvula está completamente abierta, únicamente la dimensión delgada del disco se enfrenta al flujo, proporcionando una pequeña obstrucción. El cierre de la válvula requiere sólo un cuarto de vuelta de la manija, y esto se logra a menudo mediante un operador motorizado con control remoto. La válvula de mariposa totalmente abierta tiene una resistencia de Este valor es para las válvulas más pequeñas de 2 a 8 in. Para válvulas de 10 a 14 in, el factor es de 35fT. Válvulas más grandes, de 16 a 24 in, tienen un factor de resistencia de 25f T. 43  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de pie con filtro. - Las válvulas de pie realizan una función similar a la de las válvulas de retención. Se utilizan a la entrada de tubos de aspiración que entregan el fluido desde un tanque, fuente o depósito hacia una bomba, como se ilustra en la figura 10.27. Por lo general, están equipadas con un filtro integral para mantener los objetos extraños fuera del sistema de tuberías. Esto es necesario especialmente cuando se saca agua de un pozo abierto o de un lago o arroyo natural. ¡Es posible que haya peces en el lago! Las resistencias de los dos tipos de válvulas de pie mostradas en las figuras 10.21 y 10.22 son: 44  4.2. Usos y aplicación de válvulas en el diseño de un ducto  Válvula de pie con filtro. - El tipo disco de vástago es similar a la válvula de globo en su construcción interna, pero es aún más restringido. El tipo de bisagra es similar a la válvula de retención tipo oscilante. Se debe planear alguna resistencia adicional por si el filtro se obstruye durante el servicio. 45  4.3. Accesorios de un sistema de tubería Los acoplamientos o accesorios para conexión se clasifican en: de derivación, reducción, ampliación y desviación. Los accesorios como tes, cruces, codos con salida lateral, etc., pueden agruparse como accesorios de derivación. Los conectores de reducción o ampliación son aquellos que cambian la superficie de paso del fluido. En esta clase están las reducciones y los manguitos. Los accesorios de desvío, curvas, codos, curvas en U, etc., son los que cambian la dirección de flujo. 46  4.3. Accesorios de un sistema de tubería Se pueden combinar algunos de los accesorios de la clasificación general antes mencionada. Además, hay accesorios como conexiones y uniones que no son resistentes al flujo, motivo por el cual no se consideran aquí. Los accesorios guían la trayectoria del flujo o causan un cambio en el tamaño de la trayectoria del flujo. Incluyen codos de varios diseños, tes, reductores, boquillas y toberas. Vea las figuras 10.23 y 10.24. 47  4.3. Accesorios de un sistema de tubería 48  4.3. Accesorios de un sistema de tubería 49  4.3. Accesorios de un sistema de tubería Pérdida menor usando un coeficiente de resistencia. Las pérdidas de energía son proporcionales a la carga de velocidad del fluido a medida que fluye por un codo, por una ampliación o contracción de la sección de flujo o a través de una válvula. Por lo general, los valores experimentales de las pérdidas de energía se reportan en términos de un coeficiente de resistencia, K, de la manera siguiente: En la ecuación (10-1), hL representa la pérdida menor, K el coeficiente de resistencia y v la velocidad de flujo promedio en la tubería en las cercanías de donde se produce la pérdida menor. En algunos casos, puede haber más de una velocidad de flujo, como sucede con las ampliaciones o contracciones. Es muy importante que usted sepa qué velocidad se utiliza con cada coeficiente de resistencia. 50  4.3. Accesorios de un sistema de tubería Pérdida menor usando un coeficiente de resistencia. El coeficiente de resistencia no tiene dimensiones porque representa una constante de proporcionalidad entre la pérdida de energía y la carga de velocidad. La magnitud del coeficiente de resistencia depende de la geometría del dispositivo que causa la pérdida y algunas veces de la velocidad de flujo. En las siguientes secciones se describirá el proceso a seguir para determinar el valor de K y calcular la pérdida de energía en muchos tipos de condiciones de pérdida menor. 𝑣2 Igual que en la ecuación de energía, la carga de velocidad se presenta en la ecuación (10-1) 2𝑔 típicamente en las unidades del SI de metros (o N*m/N del fluido que fluye) o en unidades del sistema de uso común en Estados Unidos de pies (o ft-lb/lb del fluido que fluye). Debido a que K es adimensional, la pérdida de energía tiene las mismas51unidades.  4.3. Accesorios de un sistema de tubería Es importante determinar los datos de resistencia para el tipo y tamaño particulares elegidos porque la resistencia depende de la geometría de la válvula o del accesorio. Además, diferentes fabricantes pueden presentar datos de distintas formas. La pérdida de energía experimentada a medida que el fluido fluye a través de una válvula o un accesorio se calcula a partir de la ecuación (10-1) tal como se utilizó para las pérdidas menores ya estudiadas. Sin embargo, el método para determinar el coeficiente de resistencia K es diferente. El valor de K se reporta en la forma 52  4.3. Accesorios de un sistema de tubería El valor de Le/D, llamada relación de longitud equivalente, se reporta en la tabla 10.4 y se considera constante para un tipo dado de válvula o accesorio. Al valor de Le se le denomina longitud equivalente y representa la longitud de un tubo recto del mismo diámetro nominal que la válvula y que tendría la misma resistencia que la válvula. El término D es el diámetro interior real de la tubería. El término 𝑓𝑇 es el factor de fricción presente en la tubería a la que está conectada la válvula o el accesorio, llevado hasta la zona de turbulencia completa. En la figura 8.7, el diagrama de Moody, observe que la zona de turbulencia completa se encuentra en el área situada más a la derecha, donde el factor de fricción es independiente del número de Reynolds. 53  4.3. Accesorios de un sistema de tubería 54  4.3. Accesorios de un sistema de tubería La línea discontinua, que por lo general corre en diagonal a través del diagrama, divide la zona de turbulencia completa a partir de la zona de transición hasta la izquierda. Los valores para 𝑓𝑇 varían con el tamaño de la tubería y la válvula, lo cual ocasiona que el valor del coeficiente de resistencia K también varíe. En la tabla 10.5 se muestran los valores de 𝑓𝑇 para los tamaños estándar de una tubería de acero comercial, nueva y limpia. Algunos diseñadores de sistemas prefieren calcular la longitud de la tubería equivalente para una válvula y combinar dicho valor con la longitud real de la tubería. A partir de la ecuación (10-8), es posible despejar Le: 55  4.3. Accesorios de un sistema de tubería También se puede calcular Le = (Le/D)D. Note, sin embargo, que esto sería válido sólo si el flujo presente en la tubería se encontrara en la zona de turbulencia completa. Si la tubería es diferente en alguna forma de una tubería de acero comercial cédula 40 nueva y limpia, es necesario calcular la rugosidad relativa D/ε y, después, utilizar el diagrama de Moody para determinar el factor de fricción en la zona de turbulencia completa, 𝑓𝑇. 56  4.3. Accesorios de un sistema de tubería 57  4.3. Accesorios de un sistema de tubería 58 59 60 4.3. Accesorios de un sistema de tubería 61  UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE SANTA ELENA MODULO: FACILIDADES DE SUPERFICIE CAPÍTULO : VÁLVULAS. Ing. Edison Andrés Brito Email: [email protected] Phone: 0981077721 4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. ¿Qué es una válvula de control?. Las válvulas son dispositivos mecánicos utilizados para controlar, regular y dirigir el flujo de fluidos (líquidos, gases o vapores) a través de tuberías o conductos. Las válvulas pueden tener diferentes diseños y mecanismos de operación, pero generalmente constan de un cuerpo que alberga un orificio o pasaje a través del cual fluye el fluido. También incluyen un elemento móvil, como un disco, una esfera o una compuerta, que se puede mover para abrir o cerrar el paso del fluido. Además, las válvulas suelen contar con un actuador que se encarga de controlar el movimiento del elemento móvil. 2 4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Funciones principales de las válvulas en un sistema de bombeo y tubería. Regulación del flujo: Al ajustar la apertura de la válvula, se puede controlar el caudal y la velocidad del fluido. Cierre del flujo: Esto es útil cuando se necesita realizar mantenimiento, reparaciones o cuando se quiere detener el flujo en caso de emergencia. Control de presión: Al ajustar la apertura de la válvula, se puede controlar la presión del fluido en el sistema. Las válvulas de alivio de presión, por ejemplo, se abren automáticamente cuando la presión alcanza un nivel peligroso 3 4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Funciones principales de las válvulas en un sistema de bombeo y tubería. Dirección del flujo: Permiten que el fluido fluya en una dirección específica. Esto evita el flujo inverso o el retroceso del fluido cuando la bomba se detiene. Protección contra golpes de ariete: Al colocar válvulas de cierre rápido en puntos estratégicos del sistema, se puede minimizar el impacto de los golpes de ariete y proteger el sistema. 4  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Clasificación de las Válvulas. ◈ Globo ◈ Ángulo ◈ Compuerta ◈ Guillotina ◈ Mariposa ◈ Reguladoras de Presión 5  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. La resistencia depende en gran medida de la trayectoria del fluido a medida que se desplaza hacia, a través de y desde la válvula. Una válvula con una trayectoria más restringida causará más pérdidas de energía. Por lo tanto, es necesario seleccionar cuidadosamente el tipo de válvula si se desea que el sistema esté diseñando de manera eficiente con pérdidas de energía relativamente bajas. 6  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de globo. Un giro de la manija hace que el dispositivo de sellado se eleve verticalmente hacia fuera del asiento. Es una de las válvulas más comunes y es relativamente barata. Sin embargo, es una de las válvulas de menor rendimiento en términos de pérdidas de energía. Se usaría donde no hay problema real creado por la pérdida de energía. La pérdida de energía se produce porque el fluido debe recorrer una trayectoria compleja desde la entrada hasta la salida. 7  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de globo. - 8  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de ángulo. La construcción es muy similar a la de la válvula de globo. Sin embargo, la trayectoria es un poco más sencilla porque el fluido entra a través del puerto inferior, se desplaza alrededor del asiento de la válvula, y vuelve a salir a la derecha. El factor de resistencia K es: 9  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de compuerta. Al girar la manija, la compuerta se eleva verticalmente fuera de la trayectoria de flujo. Cuando la compuerta está completamente abierta, hay muy poca obstrucción en la trayectoria de flujo como para causar turbulencia en la corriente de flujo del fluido. Por lo tanto, éste es uno de los mejores tipos de válvula disponibles para limitar la pérdida de energía. la válvula de compuerta completamente abierta tendría sólo 2.4% (8/340 * 100%) de la pérdida de energía causada por una válvula de globo. 10  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de compuerta. 11  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de Guillotina. El diseño de este tipo de válvula es similar al de válvula de compuerta excepto que la compuerta es una hoja delgada en lugar del estilo más grueso que se muestra. Algunos usuarios prefieren la válvula de guillotina, especialmente al manipular fluidos más pesados o lodos que pueden contener cantidades importantes de sólidos. 12  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de retención. La función de una válvula de retención es permitir el flujo en una dirección mientras se le detiene en la dirección opuesta. La válvula de retención se cierra inmediatamente cuando la presión que hay en el lado de salida excede la del lado de entrada. Se tiene dos tipos de válvula de retención, el tipo bola y el tipo oscilante, Un factor de aplicación importante para las válvulas de retención es que se requiere cierta velocidad de flujo mínima para provocar que la válvula abra completamente. A caudales más bajos, una válvula parcialmente abierta proporcionaría más restricción y pérdidas de energía más altas 13  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de retención. 14  4.1. VÁLVULAS Y ESTRANGULADORES. CONCEPTOS Y CLASIFICACIÓN. Válvula de mariposa. Cuando la válvula está completamente abierta, únicamente la dimensión delgada del disco se enfrenta al flujo, proporcionando una pequeña obstrucción. El cierre de la válvula requiere sólo un cuarto de vuelta de la manija, y esto se logra a menudo mediante un operador motorizado con control remoto. La válvula de mariposa totalmente abierta tiene una resistencia de 45fT, Este valor es para las válvulas más pequeñas de 2 a 8 in. Para válvulas de 10 a 14 in, el factor es de 35fT. Válvulas más grandes, de 16 a 24 in, tienen un factor de resistencia de 25f T. 15 4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. 16  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Válvula de pie con filtro. Las válvulas de pie realizan una función similar a la de las válvulas de retención. Se utilizan a la entrada de tubos de aspiración que entregan el fluido desde un tanque, fuente o depósito hacia una bomba, Las resistencias de los dos tipos de válvulas de pie son: 17  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Válvula reguladora de presión. Son dispositivos utilizados para controlar y mantener un nivel de presión específico en un sistema. Estas válvulas se instalan en tuberías o líneas de fluido y se utilizan en una amplia gama de aplicaciones industriales, incluida la industria petrolera. La función principal de una válvula reguladora de presión es regular el flujo de fluido y mantener la presión en un rango deseado, incluso cuando las condiciones de entrada varían. Estas válvulas responden a los cambios de presión en el sistema y ajustan automáticamente su apertura para mantener la presión constante en la salida. 18  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Válvula reguladora de presión. La restricción Cámara superior de control [2 El piloto Tapón. Válvula control de unidireccion Llave. 19  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Válvula reguladora de presión. 20  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Choke Manifold o estrangulador. Estrangulador Ajustable Manualmente (Válvula de Aguja) El tipo básico de estrangulador es el manual ajustable. Posee un vástago (aguja) y asiento cónicos. A medida que el vástago se acerca al asiento, disminuye el espacio anular y se restringe el paso del fluido. Esto produce una mayor “contrapresión” en el pozo. 21  4.1. Válvulas y estranguladores. Conceptos y clasificación. Choke Manifold o estrangulador. 22  4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO En el diseño de un ducto, se utilizan diferentes tipos de válvulas para controlar y regular el flujo de fluidos, asegurar la seguridad del sistema y permitir el mantenimiento adecuado. A continuación, se detallan algunos usos y aplicaciones comunes de las válvulas en el diseño de un ducto: Válvulas de compuerta: Estas válvulas se utilizan para bloquear o permitir el flujo completo del fluido en el ducto. Se instalan en ubicaciones estratégicas para interrumpir el flujo en caso de emergencia, realizar mantenimiento o aislamiento de secciones del ducto. Válvulas de retención: También conocidas como válvulas check, se utilizan para evitar el retroceso del flujo en el ducto. Estas válvulas permiten que el fluido fluya en una dirección y se cierran automáticamente para evitar el flujo en la dirección opuesta. 23  4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvulas de control de flujo: Estas válvulas se utilizan para regular la cantidad de fluido que pasa a través del ducto. Pueden ajustarse para permitir un flujo parcial o total según los requisitos del sistema. Las válvulas de globo y las válvulas de bola son ejemplos comunes de válvulas de control de flujo. Válvulas de alivio de presión: Estas válvulas se utilizan para proteger el ducto y los equipos asociados de excesos de presión. Si la presión en el ducto supera un límite establecido, la válvula de alivio de presión se abre automáticamente para liberar el exceso de presión y evitar daños en el sistema. Válvulas de purga o drenaje: Estas válvulas se utilizan para eliminar el fluido o drenar el agua acumulada en el ducto. Permiten la limpieza y el mantenimiento adecuado del sistema. 24 4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvulas Ventajas Desventajas Válvula de globo Ofrece un control - Mayor pérdida de carga preciso del flujo. que otros tipos de válvulas. Permite un buen cierre hermético. Versátil y adecuada para diversas aplicaciones. Válvula de ángulo Permite un flujo - Mayor pérdida de carga direccional y control de la que otros tipos de presión. válvulas. 25 4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvulas Ventajas Desventajas - Mayor tiempo de - Proporciona un cierre apertura y cierre en Válvula de compuerta hermético y completo del comparación con otras flujo. válvulas. - Mínima pérdida de carga - No es adecuada para cuando está regular el flujo. completamente abierta. - Diseño simple y eficiente - Mayor pérdida de carga Válvula guillotina para el cierre completo que otros tipos de del flujo. válvulas. - Ideal para manejar - No es adecuada para fluidos con sólidos o regular el flujo. abrasivos. 26 4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvulas Ventajas Desventajas - Evita el retroceso del - Puede generar una Válvula de retención flujo en una dirección no pérdida de carga adicional deseada. en el sistema. - Permite un flujo unidireccional sin intervención manual. - No es adecuada para Válvula de mariposa - Ligera y de bajo costo. altas presiones y temperaturas. - Mayor pérdida de carga - Rápida apertura y cierre. que otros tipos de válvulas. 27  4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvulas Ventajas Desventajas - Filtra partículas y evita obstrucciones en el - Puede requerir una limpieza o Válvula pie con filtro sistema. reemplazo frecuente del filtro. - Ahorra espacio al combinar una válvula y un filtro en un solo dispositivo. Válvula reguladora - Requiere ajustes y mantenimiento - Mantiene una presión constante en el sistema. de presión periódico. - Protege equipos y tuberías contra sobrepresiones. - Permite ajustes y control preciso de la presión. 28 4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvula Casos de uso recomendados Válvula de globo - Control de flujo preciso y regulación de caudal. - Aplicaciones que requieren un cierre hermético y estanqueidad. - Donde se necesite controlar la presión o regular el flujo en un rango específico. Válvula de ángulo - Donde se requiera un flujo direccional y control de la presión. - Aplicaciones con espacios reducidos donde se necesita un cambio de dirección del flujo. Válvula de compuerta - Situaciones en las que se necesita un cierre completo del flujo. - Sistemas de alta presión y temperaturas. - No se requiere regulación precisa del flujo. 29  4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvula Casos de uso recomendados - Aplicaciones donde se necesita un cierre completo del flujo y manejo de fluidos con Válvula guillotina sólidos. - Sistemas que manejan líquidos viscosos o abrasivos. Válvula de retención - Evitar el retroceso del flujo en una dirección no deseada. - Prevenir la contaminación cruzada en sistemas de tuberías. Válvula de mariposa - Aplicaciones con un costo y peso reducidos. - Donde se requiere una rápida apertura y cierre. - Sistemas de baja presión y temperaturas moderadas. 30  4.2. USOS Y APLICACIÓN DE VÁLVULAS EN EL DISEÑO DE UN DUCTO Válvula Casos de uso recomendados Válvula pie con filtro - Filtrar partículas y evitar obstrucciones en el sistema. - Sistemas donde la calidad del fluido es crítica. Válvula reguladora - Mantener una presión constante en el sistema. de presión - Proteger equipos y tuberías contra sobrepresiones. - Controlar y ajustar la presión en un rango específico. 31  4.3. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍA Los acoplamientos o accesorios para conexión se clasifican en: derivación, reducción, ampliación y desviación. Los accesorios como tes, cruces, codos con salida lateral, etc., pueden agruparse como accesorios de derivación. Los conectores de reducción o ampliación son aquellos que cambian la superficie de paso del fluido. En esta clase están las reducciones y los manguitos. Los accesorios de desvío, curvas, codos, curvas en U, etc., son los que cambian la dirección de flujo. 32  4.3. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍA 33  4.3. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍA 34  4.3. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍA Pérdida menor usando un coeficiente de resistencia. Las pérdidas de energía son proporcionales a la carga de velocidad del fluido a medida que fluye por un codo, por una ampliación o contracción de la sección de flujo o a través de una válvula. Por lo general, los valores experimentales de las pérdidas de energía se reportan en términos de un coeficiente de resistencia, K, de la manera siguiente: La magnitud del coeficiente de resistencia depende de la geometría del dispositivo que causa la pérdida y algunas veces de la velocidad de flujo. 35  4.3. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍA 36  4.3. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍA 37 38 39 40 4.3. ACCESORIOS DE UN SISTEMA DE TUBERÍA 41  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Accesorio: un dispositivo que se monta en el actuador para complementar la función del actuador y convertirlo en una unidad operativa completa. Los ejemplos incluyen posicionadores, reguladores de presión de suministro, solenoides e interruptores de límite. ❖ Actuador*: Un dispositivo neumático, hidráulico o eléctrico que suministra fuerza y movimiento para abrir o cerrar una válvula. ❖ Conjunto Actuador: Un actuador, incluyendo todos los accesorios pertinentes que lo convierten en una unidad operativa completa. 42  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Backlash (Contragolpe): el nombre general dado a una forma de banda muerta que resulta de una discontinuidad temporal entre la entrada y la salida de un dispositivo cuando la entrada del dispositivo cambia de dirección. La holgura o la flojedad de una conexión mecánica es un ejemplo típico. ❖ Capacidad* (Válvula): La tasa de flujo a través de una válvula bajo condiciones establecidas. ❖ Ciclo o sistema cerrado: La interconexión de los componentes de control de procesos de modo que la información sobre la variable del proceso se retroalimenta continuamente al punto de ajuste del controlador para proporcionar correcciones continuas y automáticas a la variable del proceso. 43  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Controlador: Un dispositivo que opera automáticamente mediante el uso de algún algoritmo establecido para regular una variable controlada. La entrada del controlador recibe información sobre el estado de la variable del proceso y luego proporciona una señal de salida adecuada al elemento de control final. ❖ Rango de control: el rango de recorrido de la válvula en el que una válvula de control puede mantener la ganancia de la válvula instalada entre los valores normalizados de 0,5 y 2,0. ❖ Conjunto de la válvula de control: incluye todos los componentes que normalmente se montan en la válvula: el conjunto del cuerpo de la válvula, el actuador, el posicionador, los juegos de aire, los transductores, los interruptores de límite, etc. 44  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Banda muerta: El rango a través del cual se puede variar una señal de entrada, al invertir la dirección, sin iniciar un cambio observable en la señal de salida. Banda muerta es el nombre que se le da a un fenómeno general que se puede aplicar a cualquier dispositivo. Para el conjunto de válvulas, la salida del controlador (CO) es la entrada al conjunto de válvulas y la variable de proceso (PV) es la salida, como se muestra en la figura 1-1. Cuando se utiliza el término banda muerta, es esencial que se identifiquen tanto las variables de entrada como las de salida, y que cualquier prueba para medir la banda muerta se realice en condiciones de carga completa. La banda muerta generalmente se expresa como un porcentaje del intervalo de entrada. 45  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Tiempo muerto: el intervalo de tiempo (Td) en el que no se detecta ninguna respuesta del sistema después de una pequeña entrada de paso (normalmente 0,25 % - 5 %). Se mide desde el momento en que se inicia la entrada de paso hasta la primera respuesta detectable del sistema que se está probando. El tiempo muerto puede aplicarse a un conjunto de válvula o a todo el proceso. ❖ Disco: un elemento de ajuste de la válvula que se utiliza para modular el caudal con movimiento lineal o giratorio. También puede denominarse tapón de válvula o elemento de cierre. 46  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Fricción: La fuerza de fricción es una función de la fuerza normal que mantiene juntas estas dos superficies y la naturaleza característica de las dos superficies. La fricción tiene dos componentes: fricción estática y fricción dinámica. La fricción estática es la fuerza que debe vencerse antes de que haya movimiento relativo entre las dos superficies. Una vez que ha comenzado el movimiento relativo, la fricción dinámica es la fuerza que debe superarse para mantener el movimiento relativo. La fricción de carrera o deslizamiento son términos coloquiales que a veces se usan para describir la fricción dinámica. Stick/slip o “stiction” son términos coloquiales que a veces se usan para describir la fricción estática. La fricción estática es una de las principales causas de la banda muerta en un conjunto de válvulas. 47  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Ganancia: En su sentido más general, la ganancia es la relación entre la magnitud del cambio de salida de un sistema o dispositivo dado y la magnitud del cambio de entrada que provocó el cambio de salida. La ganancia tiene dos componentes: ganancia estática y ganancia dinámica. La ganancia estática es la relación de ganancia entre la entrada y la salida y es un indicador de la facilidad con la que la entrada puede iniciar un cambio en la salida cuando el sistema o dispositivo se encuentra en estado estable. La sensibilidad a veces se usa para referirse a la ganancia estática. La ganancia dinámica es la relación de ganancia entre la entrada y la salida cuando el sistema está en un estado de movimiento o flujo. La ganancia dinámica es una función de la frecuencia o tasa de cambio de la entrada. 48  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Histéresis*: La diferencia máxima en el valor de salida para cualquier valor de entrada individual durante un ciclo de calibración, excluyendo los errores debidos a la banda muerta. ❖ Característica inherente*: La relación entre el coeficiente de flujo y el recorrido del elemento de cierre (disco) a medida que se mueve desde la posición cerrada hasta el recorrido nominal con una caída de presión constante en la válvula. Por lo general, estas características se trazan en una curva donde el eje horizontal se etiqueta como porcentaje de recorrido y el eje vertical se etiqueta como porcentaje de flujo (o Cv) (figura 1-2). Debido a que el flujo de la válvula es una función tanto del recorrido de la válvula como de la caída de presión a través de la válvula, realizar pruebas de características de flujo a una caída de presión constante proporciona una forma sistemática de comparar un diseño de características de válvula con otro. 49  ANEXO Terminología en procesos de control. Las características típicas de las válvulas realizadas de esta manera se denominan lineales, de igual porcentaje y de apertura rápida (figura 1-2). ◈ Ganancia inherente de la válvula: la relación entre la magnitud del cambio en el flujo a través de la válvula y el cambio en el recorrido de la válvula en condiciones de caída de presión constante. La ganancia inherente de la válvula es una función inherente del diseño de la válvula. Es igual a la pendiente de la curva característica inherente en cualquier punto de carrera y es una función de la carrera de la válvula. 50  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ I/P: abreviatura de corriente a presión (I-to-P). Normalmente se aplica a los módulos transductores de entrada. ❖ Linealidad*: La proximidad a la que una curva relacionada con dos variables se aproxima a una línea recta. (La linealidad también significa que se aplicará la misma línea recta tanto para las direcciones ascendentes como descendentes. Por lo tanto, la banda muerta, tal como se definió anteriormente, normalmente se consideraría una no linealidad). ❖ Ganancia de ciclo: la ganancia combinada de todos los componentes del bucle cuando se ven en serie alrededor del ciclo. A veces se denomina ganancia de bucle abierto. Debe especificarse claramente si se refiere a la ganancia de ciclo estático oca la ganancia de bucle dinámico en alguna frecuencia. 51  ANEXO Terminología en procesos de control. ❖ Ciclo abierto: La condición en la que la interconexión de los componentes de control del proceso se interrumpe de tal manera que la información de la variable del proceso ya no se retroalimenta al punto de ajuste del controlador, por lo que ya no se proporcionan correcciones a la variable del proceso. Esto generalmente se logra colocando el controlador en la posición de operación manual. ❖ Empaquetadura: una parte del conjunto de la válvula que se usa para sellar contra fugas alrededor del disco o vástago de la válvula. ❖ Relé: Un dispositivo que actúa como un amplificador de potencia. Toma una señal de entrada eléctrica, neumática o mecánica y produce una salida de un gran volumen de flujo de aire o fluido hidráulico al actuador. El relé puede ser un componente interno del posicionador o un accesorio de