En la Fig. 1 se muestra una situación típica. Usaremos este diagrama no sólo para identificar el problema, sino que para establecer algunas verdades básicas y definir algunos términos.

La caída de presión de fricción, F ha sido definida como la caída de presión al caudal de diseño Qd, por el equipo de proceso y la tubería. Hay que tener en mente que F debe cambiar si Qd cambia. Note también que este sistema, como la mayoría, comienza y termina en dos puntos de presión relativamente constantes. Llamemos a las presiones de inicio y de término para el sistema Ps y Pe.

En la Fig. 1, Pe es la presión del fraccionador más la carga estática, es decir, 35 psig. Ps será la presión de descarga de la bomba que sería 184 psig si a la válvula de control se le asignara una caída de presión de 25 psi. La frase "presión relativamente constante" significa que las presiones Ps y Pe no cambian ningún grado importante cuando el caudal en el sistema cambia. La diferencia entre Ps y Pe proporciona la fuerza impulsora para mover el fluido a través de todo el sistema. La ecuación de equilibrio de presión es:

Ps = Pe + F + DP (1)

donde DP es la caída de presión de la válvula de control. Si volvemos a ordenar la ecuación, tenemos:

DP = (Ps – Pe) – F (2)

Debemos notar con mucha atención lo que nos está indicando la Ecuación (2). Una de las preguntas más exasperantes que los diseñadores de procesos pueden plantear a los ingenieros de instrumentos es "¿por qué no instala una válvula de control más grande y toma una caída menor de presión?" La respuesta es obvia a partir de la Ecuación (2). La caída de presión en la válvula de control sólo puede ser lo que resta de la caída de presión de todo el sistema después de que se haya deducido la caída de presión de fricción.

Figura 1 – Ejemplo de circuito de carga - fraccionador: ¿Cuánta presión necesita la válvula de control?

Supongamos que en el ejemplo de la Fig. 1, el tamaño de la válvula de control resultó ser de 2", con un DP de 25 psi asignado. Entonces, cambiémosla por una de 3" y veremos que no cambia la caída de presión en la válvula de control, pues la caída de presión de la válvula de control debe ser el resultado que se obtiene de (Ps – Pe) después de que se haya deducido F y, por lo tanto, todavía es 25 psi. La válvula de control de 3" se cerrará mucho más que la de 2", pero la caída de presión al caudal de Qd aún sería 25 psi.

El resultado final es que la caída de presión de la válvula de control no tiene nada que ver con el tamaño de la válvula. Es determinada solamente por el equilibrio de presión, Ecuación (2).

Aumento de caudal

Supongamos que para los propósitos de funcionamiento, a veces, es necesario aumentar el caudal a un valor de Qd + 10%. Ya que la caída de presión varía con el cuadrado del caudal, si el caudal aumenta a 110% de Qd, la caída de presión de fricción aumentará a un 121% de F o 150 psi. Este es un aumento de (150-124) o 26 psi. ¿De dónde van a venir estos 26 psi adicionales? Ya que Ps y Pe no cambian significativamente con la medida del caudal, los 26 psi adicionales no están conformados por ningún aumento en la caída de presión en todo sistema. La respuesta inevitable es que tienen que venir de la válvula de control.

Finalmente, la caída de presión finalmente asignada a una válvula de control debe tomar en cuenta lo siguiente:

1. ¿Cuánta caída de presión tendrá que dar la válvula de control a la caída por fricción del sistema si hay un aumento al caudal desde el valor de diseño Qd hasta el flujo máximo previsto? (Llamemos a esto Qm).

2. ¿Cuánto margen se debe calcular para una posible disminución en la caída de presión del sistema en total (Ps – Pe) si hubiera un aumento en el caudal del sistema?

3. Incluso en la posición de apertura completa, una válvula de control impondrá algo de resistencia al flujo; por lo tanto, creará alguna caída de presión. Esta será una función del tipo de válvula de control utilizada (de tapón, de jaula, de bola, de mariposa, etc.).