Vàlvula de globus a l'evaporador MVR: control de flux i guia de procés

Què és aVàlvula de globusi com regula el flux?

Introducció

En els sistemes de fluids industrials, les vàlvules de globus es troben entre els dispositius més utilitzats per modular el cabal i la pressió. El seu moviment lineal i la seva relativament bona controlabilitat els fan habituals en els bucles de control de processos en sistemes de productes químics, petroli i gas, energia, tractament d'aigua i evaporadors. Mentrestant,Evaporadors MVR (Evaporadors de recompressió mecànica de vapor) s'han afavorit cada cop més a les plantes d'evaporació i concentració d'energia{0}}eficients. En un evaporador MVR, el control precís dels cabals (alimentació de líquid, recirculació, descàrrega de vapor, etc.) és fonamental - i les vàlvules de globus sovint tenen un paper clau en aquests circuits de control. En aquest article explorarem en profunditat què és una vàlvula de globus, com regula el flux i com s'integra als sistemes d'evaporador MVR (sota consideracions de procés i control).

Què és una vàlvula de globus? - Definició, estructura, tipus

Definició i principi bàsic

Una vàlvula de globus terrestre és un tipus de vàlvula de control de moviment lineal que s'utilitza per regular el flux de fluids a través de canonades. La vàlvula funciona movent un disc o un tap (connectat a una tija) perpendicularment cap a un seient estacionari o lluny d'ell, modulant així l'àrea de la secció transversal del flux-. El nom "globus" es va originar històricament quan moltes d'aquestes vàlvules tenien cossos esfèrics, però els dissenys moderns poden no ser estrictament esfèrics.

En terminologia de control de processos, la vàlvula de globus sol ser classificada com una vàlvula de control de-tipa lliscant (a diferència de les vàlvules rotatives). D'acord amb el Manual de la vàlvula de control, les vàlvules de control (inclosos els globus) manipulen el flux de fluid variant la mida del pas de flux (és a dir, l'orifici) tal com ho indica un senyal de control, controlant així el cabal i les variables del procés aigües avall (Emerson, Manual de la vàlvula de control).

El manual de vàlvules de Skousen descriu les vàlvules de globus com un dels principals tipus de vàlvules de control, especialment adequades per al servei d'acceleració a causa de la seva capacitat de control de flux progressiu (Skousen, 1997).

Des de les vàlvules de control de processos industrials (Arca/Artes), l'atenció se centra sovint en les vàlvules de globus a causa del seu comportament de control fiable i la seva característica de flux relativament previsible en bucles industrials (Arca/Artes, Manual de vàlvules de control de procés).

Així, la vàlvula de globus és tant un component estructural com funcional: un cos de la vàlvula, parts internes i un mecanisme de control (tija + actuador) que permet la modulació.

Estructura interna i components

Una vàlvula de globus estàndard consta dels components clau següents (amb una terminologia coherent amb els llibres de text de-vàlvules de control):

• Cos / carcassa: la capa principal-que conté la pressió; allotja les parts internes i es connecta a brides de canonades o soldadures.
• Capó: El tancament del cos que conté l'empaquetament de la tija i guia la tija. Està cargolat o cargolat al cos.
• Tija: Una vareta lineal que impulsa el moviment del tap/disc; s'estén a través del capó, segellat per l'embalatge, a la cavitat de la vàlvula.
• Endoll / disc (o element tapat de vàlvula): El component mòbil unit a la tija; es mou cap a o s'allunya del seient per restringir el flux.
• Anell de seient / seient: La superfície estacionària contra la qual el tap segella en posició tancada.
• Gàbia o estructura guia: Moltes vàlvules de globus modernes inclouen una gàbia o guia que envolta l'endoll per dirigir el flux, reduir la turbulència i definir la característica del flux.
• Embalatge i glàndula: Segellat al voltant de la tija per evitar fuites.
• Actuador / volant / mecanisme d'operador: Volant manual en vàlvules simples; actuadors pneumàtics, hidràulics o elèctrics en vàlvules de control automatitzades.
• Accessoris: Posicionador, interruptors de límit, augmentadors de volum, amortiguadors, etc.

El tap normalment es mou en línia recta al llarg de l'eix de la tija, passant per la gàbia o guia. Les obertures de la gàbia exposen gradualment més o menys la secció transversal a mesura que el tap es mou, donant una modulació controlada del flux.

Una decisió interna clau del disseny és la retalla - la forma i la disposició de l'endoll, el seient, els forats de la gàbia i l'estructura de guia - que defineix la característica del flux, la linealitat i el comportament de la cavitació/soroll.

Tipus i variants de vàlvula de globus

Hi ha múltiples variants de vàlvules de globus, dissenyades per a diferents serveis:

• Vàlvula de globus-directa (-en línia).L'entrada i la sortida - estan alineades (orientació de 180 graus).
• Vàlvula de globus angular- la trajectòria del flux està doblegada, normalment 90 graus , de manera que l'entrada i la sortida són perpendiculars. Això és útil quan la disposició de la canonada requereix un canvi de direcció o per drenar el cos de la vàlvula.
• Vàlvula de patró Y-(o Y-globus).- el cos està inclinat (forma de Y-) de manera que la tija estigui inclinada i el camí del flux sigui menys tortuós; això redueix la caiguda de pressió i el desgast.
• Vàlvula de globus amb tap equilibrat- l'endoll es perfora o s'equilibra per reduir les forces netes i millorar la controlabilitat en altes-caigudes de pressió.
• Vàlvula de globus anti-cavitació o d'ajustament de diverses-etapes- retalls interns especials dissenyats per mitigar la cavitació, el soroll i l'erosió en condicions de ΔP elevats.
• Vàlvules de globus criogèniques, d'alta-temperatura o de material especial- variants per a condicions extremes de servei.

Cada variant té inconvenients-en caiguda de pressió, facilitat de control, cost, segellat i manteniment.

Avantatges i desavantatges

Avantatges de les vàlvules de globus:

• Bon control de l'acceleració: com que l'àrea de flux canvia gradualment, ofereixen una capacitat de modulació fina.
• Característica de flux previsible: més fàcil de modelar i ajustar els bucles de control.
• Bon segellat al tancament: la geometria-del seient del tap pot aconseguir un tancament hermètic.
• Resistent contra el desgast del seient: el disseny és adequat per a un funcionament freqüent.
• Flexible per a la modificació: moltes mides i acabats disponibles.
• Menor risc de soroll i cavitació (en relació amb algunes vàlvules rotatives) gràcies a les millors característiques de recuperació de pressió. (Les vàlvules de globus terrestre tenen factors de recuperació de pressió més alts que les vàlvules rotatives, la qual cosa significa menys energia recuperada, però això també significa un risc reduït de cavitació) (Baumann, Mecànica de fluids de vàlvules de control)
• Versatilitat: es pot utilitzar per líquids, gasos, vapor, purins, depenent dels materials.

Inconvenients:

• Major caiguda de pressió: com que el camí del flux no està racionalitzat, hi ha més resistència.
• Mida més gran, més pesada: en comparació amb les vàlvules de bola o de papallona de la mateixa mida nominal.
• Major cost per flux unitari (Cv) per a grans sistemes.
• Risc de fuites de l'embalatge de la tija amb el temps.
• Manteniment més implicat (sobretot per a guarnicions i seients).
• Sensibilitat a les forces-induïdes del flux i inestabilitat potencial en fluxos-que canvien ràpidament.

En general, els dissenyadors trien vàlvules de globus on la precisió del control és important i on la caiguda de pressió és acceptable.

Com regula el flux una vàlvula de globus? - Teoria i mecanisme

Per entendre com una vàlvula de globus regula el flux, examinem la relació flux-característica, el comportament de la caiguda de pressió, els accessoris de control, les forces dinàmiques i els fenòmens d'estabilitat.

Relació flux-característica

Un concepte central de les vàlvules de control és la característica de flux - la relació entre l'obertura de la vàlvula (carrera o elevació de l'obturador) i el cabal (o coeficient de cabal). Els tipus comuns són:

• Característica lineal: el cabal és proporcional a la sustentació (és a dir, duplicar l'elevació duplica el cabal).
• Característica -percentual igual: cada increment d'elevació produeix un canvi percentual proporcional en el flux (és a dir, la resposta augmenta a major elevació).
• Característica{0}}d'obertura ràpida: gran augment del cabal a una obertura petita, i després s'anivella - útil per activar/desactivar o per a una resposta ràpida.

L'elecció de la característica depèn del procés: per a processos amb un ampli rang dinàmic i un comportament no-lineal, sovint es prefereix un percentatge igual-; lineal és més senzill i de vegades més intuïtiu.

El disseny d'ajust (forma de tap, forats de gàbia) controla les característiques de la vàlvula de globus.

En funcionament, quan el controlador ajusta l'obertura de la vàlvula, l'endoll es mou, canviant les zones de flux exposades a la gàbia. El flux a través de la vàlvula obeeix a les equacions orifici/flux, modulades pel coeficient de la vàlvula (Cv) que depèn de l'elevació i del diferencial de pressió.

Caiguda de pressió, factor de recuperació, cavitació i soroll

Una vàlvula de globus inherent introdueix caiguda de pressió. La pressió aigües amunt (P₁) cau al mínim a la vena contracta (pressió més baixa), després recupera una mica de pressió estàtica aigües avall (P₂). La mesura de quanta pressió es "recupera" és capturada pel factor de recuperació de pressió (o coeficient de recuperació, sovint anomenatF_L). Les vàlvules de globus acostumen a tenir factors de recuperació de pressió més alts (és a dir, menys recuperació) en comparació amb les vàlvules de papallona o de bola (Baumann, Mecànica de fluids de vàlvules de control) -, la qual cosa significa que més caiguda de pressió és permanent.

A causa d'això, la vàlvula és menys propensa a la cavitació (on es formen i col·lapsen les bombolles de vapor) en relació amb certes vàlvules rotatives, però en condicions d'alt ΔP encara es pot produir cavitat si no es mitiga.

Sorollés una altra preocupació. El flux turbulent d'alta-velocitat, la ràpida caiguda de pressió i la cavitació poden generar soroll. Els adorns de vàlvules poden incorporar reducció-de soroll o caigudes en diverses etapes (difusors, gàbies, laberints) per mitigar el soroll.

Cavitació i intermitent: Si la pressió local baixa per sota de la pressió de vapor, es formen bombolles de vapor i es col·lapsen aigües avall (cavitació), cosa que pot erosionar les superfícies internes. Si la pressió es manté per sota de la pressió de vapor aigües avall, es produeix un parpelleig. Per evitar-ho, els dissenyadors de vàlvules utilitzen la caiguda de pressió multietapa en passos controlats per reduir el ΔP per-etapa (és a dir, l'ajust anti-cavitació).

A la pràctica, el dissenyador s'ha d'assegurar que la vàlvula ΔP es troba dins del rang de seguretat i, possiblement, afegir una escenificació o bypass per protegir la vàlvula.

Accessoris d'accionament, trim i control

El moviment del tap d'una vàlvula de globus sol ser alimentat per un actuador (diafragma pneumàtic, pistó, motor hidràulic o elèctric). L'actuador interpreta un senyal de control (per exemple, 4–20 mA o pneumàtic 3–15 psi) per impulsar la posició de la tija. Per garantir una resposta precisa, s'utilitzen posicionadors, comentaris i accessoris.

• Posicionador: compara el senyal de comandament amb la posició real de la tija i corregeix l'error (assegura un moviment precís).
• Interruptors de final de carrera, parades de carrera: per definir les posicions finals.
• Snubbers, augmentadors de volum: per frenar el moviment ràpid o proporcionar una resposta dinàmica.
• Subministraments i línies de control: per a sistemes pneumàtics o hidràulics.

L'ajust (endoll + gàbia) es selecciona per proporcionar la característica de flux desitjada, el maneig de la caiguda de pressió i la durabilitat. En serveis d'alt ΔP o erosius, és possible que siguin necessàries retallades multicavitats, retallades anti-sorolls o reducció de flux gradual.

Forces dinàmiques, flux-compensació de força i estabilitat

Quan el fluid flueix per una vàlvula parcialment oberta, les forces de flux actuen sobre el tap, la tija i les superfícies internes. Aquestes forces poden desestabilitzar la vàlvula, provocar vibracions o provocar adhesió. Per tant, un bon disseny de la vàlvula inclou una compensació de la força de flux-on la geometria o els forats d'equilibri redueixen les forces desequilibrades.

Un article sobre les forces de flux a les vàlvules (Lugowski, Flow-Force Compensation in a Hydraulic Valve) critica les fórmules estàndard de llibres de text i proposa un modelatge millorat de la compensació basat en desequilibris de pressió en lloc de models simples de galleda newtoniana (Lugowski, 2015). Els dissenyadors han de ser conscients d'aquests efectes dinàmics, especialment a altes velocitats.

L'estabilitat de la vàlvula també es veu afectada per la histèresi, la banda morta, l'adhesió i el joc del sistema de compensació de l'actuador-. Els posicionadors i el calibratge ajuden a mitigar-los.

En resum: la regulació s'aconsegueix mitjançant el moviment precís de l'endoll dins d'una gàbia, i un disseny acurat garanteix que la vàlvula respongui de manera estable i previsible sota les forces de flux, la turbulència i els canvis de pressió.

Aplicació en Sistemes de Procés i Control

Les vàlvules de globus no són maquinari aïllat; la seva funció està integrada en sistemes de control de processos. Aquí examinem com s'utilitzen i es dissenyen en aquests entorns.

Paper de les vàlvules de control en el control de processos

En qualsevol planta de procés continu, hi ha molts llaços de control: variables com la temperatura, la pressió, el cabal i el nivell s'han de mantenir al voltant dels punts de consigna. La vàlvula de control és normalment l'element de control final - l'últim dispositiu a través del qual la sortida del controlador (per exemple,. 4–20 mA) exerceix influència. El controlador calcula l'obertura desitjada de la vàlvula en funció de les mesures i l'error, i senyalitza l'actuador.

Concretament, per al control de cabal, la vàlvula ajusta l'àrea de la secció transversal-per aconseguir el cabal necessari donades les diferències de pressió aigües amunt/aigües avall. Per al control de la pressió, de vegades la vàlvula modula el flux per mantenir la pressió aigües avall.

Per tant, el dissenyador ha de dimensionar i seleccionar la vàlvula de manera que la seva controlabilitat, rang i resposta s'adapti a la dinàmica del procés, sense convertir-se en l'enllaç feble del bucle de control.

Dimensió, selecció i ajust de vàlvules de control

La mida de la vàlvula implica el càlcul el coeficient de flux Cv (o Kv en unitats mètriques) necessari a plena càrrega, i assegurant que la vàlvula pot funcionar de manera eficaç en l'interval requerit (per exemple, del 10% al 100% del cabal). Consideracions clau:

• Capacitat d'abast/reducció: la relació entre el cabal controlable màxim i el cabal controlable mínim (sovint 50:1 o 100:1 en un bon disseny).
• Autoritat de control: la fracció de la caiguda de pressió total del sistema assignada a la vàlvula (sovint del 30 al 70%) per permetre la flexibilitat de la modulació.
• Caiguda de pressió (ΔP): diferencial admissible a través de la vàlvula sense provocar cavitació ni inestabilitat.
• Característica de flux: lineal, -percentatge igual, etc.
• Resposta dinàmica: la velocitat de la vàlvula vs la dinàmica del procés.
• Condicions de funcionament: temperatura, pressió, tipus de fluid, corrosivitat, presència de sòlids o fluids bruts.
• Materials i adorns: compatibilitat, resistència a l'erosió, esperança de vida.

Un cop seleccionada i instal·lada la vàlvula,afinacióel bucle de control (paràmetres PID) ha de tenir en compte la dinàmica de la vàlvula, el temps mort i les no linealitats. La vàlvula no ha d'introduir un retard excessiu ni un sobrepassament.

Integració de vàlvules de globus amb instrumentació

La integració significa connectar la vàlvula de control a sensors, transmissors, controladors i dispositius de retroalimentació. Alguns punts clau:

• Un transmissor de cabal / mesurador de cabal mesura el cabal real i l'alimenta al controlador.
• El controlador (DCS, PLC, algorisme PID) compara el valor de consigna de flux i el cabal mesurat, i després emet un senyal de control.
• El sistema de posicionament / retroalimentació assegura que la vàlvula aconsegueix la posició comandada.
• Els sensors de pressió o temperatura poden estar aigües amunt o aigües avall de la vàlvula per ajudar en els bucles derivats (per exemple, compensació de pressió).
• Els enclavaments i la lògica de seguretat han d'evitar el mal comportament de la vàlvula en condicions anormals (p. ex. a prova de fallades, tancament d'emergència).
• Es poden utilitzar vàlvules de derivació i anul·lació per protegir el sistema o permetre el manteniment.

Així, en el disseny del sistema, la vàlvula de globus forma part d'una cadena: sensor → controlador → actuador/vàlvula → procés. Cada enllaç ha de ser prou fiable, precís i ràpid.

Evaporador MVR: visió general i principis

Per entendre el paper de les vàlvules de globus en un evaporador MVR, primer revisem què és un evaporador MVR, com funciona i els seus components del sistema.

Què és un evaporador MVR (recompressió mecànica de vapor).

Un evaporador MVR és un sistema que utilitza la recompressió mecànica del vapor per reciclar l'energia en els processos d'evaporació, augmentant així l'eficiència tèrmica. En lloc d'utilitzar vapor fresc per escalfar l'alimentació, un sistema MVR pren un vapor produït per evaporació parcial, el comprimeix (augmentant la seva pressió i temperatura) i l'utilitza com a mitjà de calefacció per a una evaporació posterior. Aquest bucle redueix el consum extern de vapor i augmenta l'eficiència energètica.

Tal com es descriu a "Sistemes MVR (Recompressió mecànica de vapor) per a l'evaporació, la destil·lació i l'assecat", els sistemes MVR reutilitzen energia que d'altra manera es perdria, fent que l'evaporació sigui més eficient. (Document d'informació tècnica, 2019)

Per això, els evaporadors MVR s'utilitzen en indústries que tenen com a objectiu minimitzar l'ús d'energia, per exemple, concentració d'aigües residuals, solucions químiques, biomassa, productes lactis, etc. (Myande, The Ultimate Guide to MVR Evaporators).

Avantatge termodinàmic i energètic

En els evaporadors tradicionals multi-efectes, el vapor s'utilitza en efectes successius; en canvi, MVR eleva el vapor a una entalpia més alta mecànicament, requerint només energia elèctrica per al compressor o el ventilador. Això sovint es tradueix en un consum d'energia molt més baix. Segons el document d'informació tècnica de MVR, l'estalvi energètic pot ser important perquè el sistema recicla internament la calor latent (Document d'informació tècnica, 2019).

El consum específic d'energia (p. ex., en kWh per tona d'aigua evaporada) és sovint més baix en el MVR que en els sistemes-convencionals de vapor. El cost de capital és més elevat, però l'economia global del cicle de vida sovint afavoreix la MVR, especialment quan els preus de l'energia són alts.

Disseny típic i equipament principal

Un sistema d'evaporador MVR típic inclou:

• Bomba d'alimentació: per subministrar alimentació líquida a l'evaporador a la pressió requerida.
• Cos de l'intercanviador de calor/evaporador: on s'escalfa el líquid i es genera vapor.
• Compressor / bufador: per elevar la pressió de vapor i la temperatura.
• Superfície de transferència de calor del condensador o del reboiler: on el vapor comprimit es condensa i transfereix calor al costat d'alimentació.
• Bomba de recirculació / bucle(en sistemes de circulació forçada).
• Separador / tambor de flaix: per separar les fases vapor i líquida.
• Vàlvules de control i canonades: per a alimentació, recirculació, descàrrega de vapor, bypass i drenatge.
• Instrumentació: sensors de cabal, pressió, temperatura, nivell, conductivitat, etc.
• Dispositius de seguretat: vàlvules de descàrrega, vàlvules de ventilació, vàlvules de retenció.

El flux del procés és típicament: entra l'alimentació → evaporació parcial → el vapor es comprimeix → el vapor comprimit es condensa a l'intercanviador → la calor latent impulsa l'evaporació → el vapor es separa i es torna a circular o es descarrega → el líquid concentrat es retira.

A causa del bucle tancat de vapor, el control ha de gestionar les pressions, els balanços de massa i els fluxos amb cura.

El paper de la vàlvula de globus en un evaporador MVR (Procés i Control)

Ara fusionem els dos temes: la vàlvula de globus i l'evaporador MVR, centrant-nos en com funcionen les vàlvules de globus als sistemes MVR sota la lògica de procés i control.

On s'utilitza una vàlvula de globus en un sistema MVR

Dins d'un sistema d'evaporador MVR, les vàlvules de globus es poden col·locar en diversos llocs estratègics:

• Control del flux d'alimentació: regulació de l'alimentació líquida al cos de l'evaporador.
• Control de recirculació: en sistemes de circulació forçada, control de bomba de circulació o cabals de bucle.
• Bypass de vapor o estrangulament: controla el flux de vapor o la derivació durant l'inici, la càrrega-parcial o els esdeveniments de seguretat.
• Reducció de líquids: controla la concentració-fora de la línia.
• Control de ventilació o sagnat: per eliminar gasos no-condensables o mantenir el buit.
• Aigua d'aportació o control auxiliar del corrent.

Com que aquests punts sovint requereixen modulació (no només obrir/tancar), les vàlvules de globus són candidates naturals.

Funcions: Regulació, Aïllament, Bypass, Bucles de control

Considerem alguns bucles clau i com funcionen les vàlvules de globus:

• Bucle de control d'alimentació: El flux d'alimentació ha de coincidir amb la capacitat d'evaporació. Una vàlvula de globus (vàlvula de control d'alimentació) rep un punt de consigna (p. ex., el flux de massa desitjat) i ajusta el seu tap per mantenir aquest flux davant de canvis de pressió aigües amunt o de densitat del fluid.
• Bucle de control de recirculació: En els sistemes de circulació forçada, la velocitat de recirculació afecta molt la transferència de calor i l'encrassement. Una vàlvula de globus de recirculació modula el flux de bucle.
• Estrangulació de vapor / bypass: Durant les fases transitòries o d'arrencada, es pot acumular massa pressió de vapor; una vàlvula de globus pot estrangular o derivar el vapor per mantenir una pressió estable o protegir el compressor.
• Dibuixa control de concentració: La vàlvula controla la sortida del líquid concentrat de manera que el nivell o la concentració del líquid es mantingui constant.

Cadascun d'aquests bucles és un bucle de procés i control: els sensors mesuren el cabal, la pressió, la temperatura o el nivell; els controladors determinen l'accionament; i la vàlvula de globus executa les modulacions.

Durant el disseny, es poden crear bucles en cascada o control de retroalimentació/retroalimentació on la vàlvula d'alimentació està subordinada a un bucle de pressió o temperatura. La vàlvula ha de tenir prou autoritat i resposta dinàmica per mantenir l'estabilitat.

Estratègies de control: flux d'alimentació, flux de vapor, pressió, nivell

Examinem algunes estratègies de control:

• Balanç alimentació-vapor: Com que la conservació de la massa s'ha de mantenir, el flux d'alimentació i el flux de vapor s'han d'ajustar. Un esquema de control en cascada pot regular la pressió de vapor i la vàlvula de globus d'alimentació funciona sota ordres de bucle de pressió de vapor.
• Control de pressió: La pressió de vapor a l'interior de l'evaporador influeix en l'ebullició i la transferència de calor. Una vàlvula de globus d'estrangulació de vapor pot formar part d'un bucle de pressió per mantenir la pressió al punt de consigna.
• Control de nivell: S'ha de controlar l'inventari de líquid dins de l'evaporador. Una vàlvula de globus de baixada garanteix un nivell constant; si la concentració varia, aquest bucle s'ha d'adaptar.
• Control de bucle de recirculació: La vàlvula de globus de recirculació es pot controlar per mantenir una velocitat mínima o un coeficient de transferència de calor.

Com que poden interactuar múltiples llaços (per exemple, el llaç d'alimentació interactua amb el llaç de pressió), es requereixen estratègies de desacoblament i d'ajust acurat. La dinàmica de la vàlvula (temps mort, retard, no linealitat) influeix amb quina agressivitat pot actuar el controlador.

Interacció amb altres dispositius (bombes, compressors, intercanviadors de calor)

Les vàlvules de globus en sistemes MVR han de funcionar conjuntament amb bombes, compressors i intercanviadors de calor:

• Bombes: La bomba d'alimentació o de recirculació ha de subministrar prou capçal de pressió; la vàlvula s'ha de dimensionar de manera que el sistema bomba-vàlvula caigui dins d'una regió de funcionament controlable (no massa a prop de l'aturada o de la pujada). La vàlvula no ha d'empènyer la bomba cap a una regió inestable.
• Compressor / bufador: En estrangular el vapor, la vàlvula no ha de provocar inestabilitats aigües amunt (surten) al compressor. La coordinació del control de la vàlvula i el compressor és fonamental.
• Càrrega de l'intercanviador de calor: La quantitat de vapor comprimit condensat ha de coincidir amb el servei de l'evaporador. Les vàlvules de control modulen els cabals de manera que la transferència de calor es mantingui estable; si canvia la contaminació, els bucles de control s'adapten mitjançant ajustos de vàlvules.
• Reciclatge o derivació de línies: Per protegir el sistema o durant la posada en marxa/apagada, les línies de derivació amb vàlvules de globus permeten camins alternatius o limiten els cabals.

En resum, la vàlvula de globus és una eina de modulació dins d'un sistema integrat. El seu disseny, resposta i control s'han de veure en el context de tots els dispositius a MVR.

Discussió comparativa: altres tipus de vàlvules i dispositius en sistemes MVR

Tot i que les vàlvules de globus són habituals, els tipus i dispositius alternatius de vàlvules també tenen funcions. És instructiu comparar-los.

Compensacions - de vàlvules de bola, de papallona i d'obturació-

Vàlvula de bola: s'utilitza sovint per al servei on/off. Ofereixen una baixa caiguda de pressió quan estan completament oberts, un accionament ràpid i un segellat hermètic. Tanmateix, la seva precisió de control de flux és més pobre que una vàlvula de globus (la geometria de la "bola" condueix a una característica de control menys lineal) (Viquipèdia,Vàlvula de bola).

Vàlvula de papallona: adequat per a canonades grans i de baix cost, però el control del flux és menys precís i la caiguda de pressió i la turbulència poden ser més altes a causa del disc en el camí del flux (Viquipèdia,Vàlvula de papallona).

Vàlvula de tap: utilitzat de vegades en aplicacions de control, però generalment menys afavorit per a la modulació fina.

Quan es necessita una regulació precisa (com en l'alimentació, el control de vapor en els sistemes MVR), les vàlvules de globus continuen sent preferides malgrat el major cost i caiguda.

Vàlvules de retenció, vàlvules de seguretat, vàlvules d'alleujament

Als bucles de l'evaporador MVR, també es veu:

• Vàlvules de retenció: evitar el retrocés, per exemple, el flux invers de vapor o líquid. Ha de tenir una mida per minimitzar la caiguda de pressió, però també respondre ràpidament.
• Vàlvules de seguretat: protegir contra la sobrepressió en els circuits de vapor; normalment es carrega-la molla i es configura per obrir-se més enllà de la pressió de disseny.
• Vàlvules d'alleujament de pressió / purga: per a la descàrrega d'emergència de vapors o gasos.

Aquestes vàlvules són poques vegades modulables - són dispositius de protecció - però la seva presència i estreta coordinació amb les vàlvules de control són essencials per a la seguretat i l'estabilitat.

Funcions de control de l'intercanviador de calor vs. tasques de la vàlvula

En el sistema MVR, els intercanviadors de calor compleixen la seva funció condensant el vapor comprimit i transferint calor a l'alimentació. Les vàlvules regulen els fluxos de massa i energia. Una acció desequilibrada de la vàlvula pot provocar desajustos en la transferència de calor, contaminació o problemes operatius. Per tant, el disseny de la vàlvula ha de tenir en compte com les càrregues de l'intercanviador de calor varien al llarg del temps, els canvis de contaminació i la resposta transitòria.

Bombes, compressors, dispositius de recirculació

Com s'ha assenyalat anteriorment, les bombes i els compressors són dispositius actius i les seves corbes de funcionament han de coincidir amb el rang i la dinàmica de la vàlvula. Els dispositius de recirculació (per exemple, bombes de recirculació, bucles de derivació) poden alleujar la càrrega de les vàlvules oferint camins alternatius o gestionant extrems.

Consideracions pràctiques, reptes i bones pràctiques

Dissenyar i operar vàlvules de globus en sistemes MVR (o altres sistemes de procés) comporta molts reptes pràctics. A continuació es mostren les millors pràctiques i els punts de precaució.

Compatibilitat de materials, erosió, corrosió

Els fluids dels evaporadors poden ser corrosius, contenir sòlids o tenir potencial de contaminació. Els cossos de les vàlvules, els taps, els seients i les guarnicions s'han de construir amb materials adequats (per exemple, acer inoxidable, Hastelloy, dúplex, etc.). Per a purins abrasius o erosius, es necessiten retalls endurits o recobriments protectors.

L'erosió pot degradar les superfícies del seient, la gàbia i l'endoll, provocant fuites o un comportament impredictible. La inspecció i la substitució periòdiques són fonamentals.

Manteniment, fuites, vida útil

Les fuites d'empaquetament de tija són un problema-a llarg termini; pot ser necessari un ajust periòdic o un reembalatge. Les superfícies de segellat es desgasten durant els cicles i es poden produir fuites tret que es programi el manteniment.

Els conjunts i els seients de recanvi haurien d'estar a mà. Els procediments de manteniment han de garantir l'aïllament, la despresurització, el drenatge i el treball segur.

Xoc tèrmic, esforços articulars cos-capot

En canvis de-temperatura elevats (vapor, vapor, condicions d'arrencada),xoc tèrmicpot ocórrer. Un estudi titulat "Thermal Shock Effects Modeling On A Globe Valve Body-Bonnet Bolted Flange Joint" va modelar les tensions a la junta de brida cargolada entre el cos i el capó (Matheiu et al., 2012). Van trobar que els gradients tèrmics provoquen desplaçaments de càrrega del cargol i un disseny adequat ha de tenir en compte les forces d'apretament i l'expansió del material (Mathieu, Rit, Ferrari, Hersant, 2012).

Així, en sistemes com MVR on es produeixen oscil·lacions de temperatura, els dissenyadors han de tenir en compte l'estrès, l'estanquitat de les articulacions i les càrregues dinàmiques.

Ajust del bucle de control, retall anti-cavitació, reducció del soroll

Els llaços de control s'han d'ajustar tenint en compte el temps mort de la vàlvula, la no linealitat i l'acoblament amb altres llaços. Els posicionadors, els comentaris i l'ajustament són necessaris.

Si hi ha risc de cavitació, s'han d'utilitzar retalls multi-etapa o anti-cavitació. La reducció del soroll pot requerir guarnicions especials, silenciadors o aïllament acústic, especialment per a fluxos de vapor o gas.

Els manuals de vàlvules de control (Emerson) dediquen capítols sencers a les estratègies de soroll, cavitació i retallades (Emerson,Manual de la vàlvula de control).

Modes de fiabilitat, seguretat i seguretat

Les vàlvules haurien de tenir posicions de fallada definides (falla-oberta, fallada-tancada) coherent amb la seguretat. Per exemple, si es perd l'alimentació, la vàlvula de globus hauria de fallar en un estat segur. Hi ha d'existir energia de seguretat, retroalimentació de posició i enclavaments lògics.

Els diagnòstics de rutina, les proves d'ictus i el manteniment ajuden a mantenir la fiabilitat.

Il·lustració del cas (exemple hipotètic)

Considerem un evaporador MVR hipotètic i simplificat que concentra un corrent d'aigües residuals salines. La capacitat de disseny de l'evaporador és eliminar 50 m³/h d'aigua, utilitzant un compressor MVR per augmentar la pressió de vapor.

• Control de l'alimentació: Una vàlvula de globus d'alimentació es col·loca aigües avall de la bomba d'alimentació. Un transmissor de flux mesura el flux d'alimentació real; el controlador modula la vàlvula de globus per mantenir el punt de consigna (50 m³/h). L'ajust de la vàlvula és igual-percentatge per adaptar-se als canvis de pressió aigües amunt.
• Estrangulació de vapor: Es col·loca una vàlvula de globus de vapor a la línia de descàrrega per modular el flux de vapor o permetre el bypass durant les fluctuacions. El bucle assegura que la pressió de vapor a l'evaporador es mantingui constant.
• Recirculació: Un bucle de circulació forçada inclou una bomba de recirculació i una vàlvula de globus per ajustar el flux del bucle per mantenir una velocitat objectiu i un coeficient de transferència de calor.
• Control de tirada: una línia d'extracció de líquid concentrat-inclou una vàlvula de globus per mantenir el nivell a l'evaporador.

En aquesta configuració, tota la modulació principal s'aconsegueix mitjançant vàlvules de globus, coordinades pel sistema de control. L'afinació del bucle garanteix un funcionament estable sense oscil·lacions, i s'utilitza un ajustament anti-cavitació per a l'acceleració del vapor a causa de l'alt ΔP.

Durant les proves, els enginyers observen que la brida cargolada del cos-capó de la vàlvula de globus de control de vapor pateix canvis transitoris de càrrega durant un canvi ràpid de temperatura. Utilitzant un modelatge FEA similar al de Mathieu et al. (2012), ajusten la precàrrega del cargol i trien el material de junta flexible adequat per mitigar els canvis d'estrès.

Amb el temps, l'embalatge de la vàlvula d'alimentació es torna a empaquetar durant les parades programades; el revestiment del seient es substitueix després d'un nombre determinat de cicles. La planta aconsegueix un alt temps de funcionament i un funcionament estable.

Aquest exemple demostra com s'han d'alinear el disseny teòric, el control del procés i el manteniment pràctic.

Resum i perspectives

• A vàlvula de globusés una vàlvula de control de moviment lineal que regula el flux movent un tap cap a o lluny d'un seient, modulant l'àrea de la secció transversal.
• És especialment adequat per a aplicacions de procés i control a causa de la seva característica de control relativament previsible i la seva capacitat de modulació.
• La regulació del cabal implica un disseny acurat de l'ajust, la característica de flux, la gestió de la caiguda de pressió, la compensació de les forces dinàmiques i la integració amb actuadors i posicionadors.
• En un sistema d'evaporador MVR, les vàlvules de globus juguen un paper crític en el control de l'alimentació, l'estrangulament del vapor, la recirculació, l'amortització i els bucles de derivació. La seva selecció i control adequats són vitals per a un funcionament estable i eficient.
• Els tipus de vàlvules alternatius (bola, papallona) tenen avantatges en cost i mida, però normalment no ofereixen la mateixa modulació fina.
• El disseny pràctic ha de tenir en compte la durabilitat del material, la cavitació, el soroll, els xocs tèrmics, la fiabilitat de l'accionament, el manteniment i el comportament de seguretat.
• Les il·lustracions de casos mostren com convergeixen el disseny, el control i el manteniment.

En desenvolupaments futurs, podem veure vàlvules de control intel·ligents amb diagnòstic integrat, control adaptatiu o manteniment predictiu, millorant encara més la sinergia de les vàlvules de globus amb sistemes complexos com els evaporadors MVR. També poden evolucionar nous materials d'acabat, la fabricació additiva per a guarnicions i els dispositius integrats de vàlvules i sensors.