valvulas control hidraulico

3ª Edición

Julio 2010

Válvulas de Control

Hidráulico

DDDEEESSSDDDEEE LLLOOOSSS CCCOOONNNCCCEEEPPPTTTOOOSSS

BBBÁÁÁSSSIIICCCOOOSSS HHHAAASSSTTTAAA LLLAAASSS

AAAPPPLLLIIICCCAAACCCIIIOOONNNEEESSS

ING. FRANCISCO J. GALINDO AVILA INGENIERO CIVIL QUIMICO. UNIVERSIDAD DE CHILE.

Ing. Francisco J. Galindo A.

Indice 1. Proceso Agua Potable 1 2. Dos conceptos y dos Principios 4

Caudal 4 Presión 5 Conservación de Masa 6 Conservación de Energía 8 Pérdida de Carga 14 Bombas 17 Resumen 18

3. Proceso Dinamico →→→→ Control →→→→ Válvulas 19

Proceso Dinámico 19 Válvulas 20

4. Válvula de Control Hidráulica 26

Descripción General 26 Actuador Hidráulico 27 Parámetros de Selección y Operación 34 Principio Abre-Cierra 34 Válvula de Control Hidráulica: ECF 37

5. Función Reductora de Presión 38 ¿Por qué reducir presiones? 38

Función Reductora 39 ¿Qué rol juega el restrictor? 42

6. Válvula Reductora de Presión 44

Selección 46 Instalación 49 Calibración 51 Para Abrir y Cerrar la Válvula 51 Problemas y su Solución 52

7. Funciones Discretas 53

Introducción 53 ON/OFF Manual 55 ON/OFF Eléctrica 55 Nivel ON/OFF 56 Altimetrica 58

8. Funciones Modulantes 59

Introducción 59 Reductora 60 Flotador Modulante 60 Sostenedora/Alivio 62 Control Caudal 64

9. Funciones Múltiples 65

Función Reductora Sostenedora 65 Función Reductora de Doble Consigna 66

1

Ing. Francisco Galindo A.

1. Proceso Agua Potable

En la naturaleza el agua y el aire son fluidos fundamentales asociados a la vida. Su depuración y distribución en la naturaleza tienen un ciclo propio. En el caso del agua el ciclo natural se esquematiza en la siguiente figura: Fig. 1.1.

Para que se produzca el movimiento el aporte que realiza la energía solar que genera la evaporación es esencial, tanto como lo es la energía geodésica que causa el escurrimiento. El agua que los seres humanos consumimos requiere de ciertas características que aseguren principalmente la salud, el proceso por el cual se depuran las aguas obtenidas de la naturaleza para el consumo humano se denomina potabilización. Se trata de un proceso físico-quimico. Fig. 1.2.

2


En tanto el proceso por el cual se transporta el agua es un proceso físico. Los sistemas de abastecimiento de agua se clasifican en:

• Sistemas individuales: o de aguas subterráneas (pozos y manantiales) o de aguas superficiales (ríos, arroyos, lagos) o de aguas de lluvia (cisternas o aljibes)

• Sistemas públicos:

En la actualidad la mayoría de los sistemas de abastecimiento de agua potable son públicos, los sistemas individualmente mayoritariamente se encuentran en zonas rurales. El agua además de ser empleada para el consumo humano como bebida, tiene fines de higiene, aseo y uso industrial. El abastecimiento público de agua potable tiene distintas etapas distinguibles: Fig. 1.3.

• Fuente de abastecimiento • Captación • Estaciones de bombeo • Tubería maestra (por bombeo) • Tanques reguladores • Redes de distribución • Arranques domiciliarios

En la mayor parte del circuito la energía necesaria para que el agua se mueva es aprovechada del potencial gravitatorio (diferencia de altura). Sin embargo, dependiendo de la fuente de abastecimiento del agua se emplean con mayor frecuencia bombas. El resto de los elementos que constituyen los sistemas de abastecimiento son las cañerías, estanques y accesorios de conexión y control.

3


La norma chilena NCh. 691 establece como requisito de los sistemas de abastecimiento de agua potable la existencia de estanques de regulación para compensar las diferencias entre la producción máxima diaria y el consumo máximo diario y considerar una dotación adicional para casos de emergencias (reserva e incendio). En relación a estos estanques la conducción del agua potable se divide en dos etapas:

- conducción primaria: entre las fuentes de abastecimiento y los estanques de regulación inclusive

- conducción secundaria: entre los elementos de regulación y la red de distribución

El área servida por una red se encuentra dividida a su vez en sectores.

4


1. Dos Conceptos y dos Principios

Caudal

El caudal másico instantáneo Qm se define como la cantidad de masa m de un fluido que traspasa una sección de control en una unidad de tiempo lo más pequeña posible. Fig. 2.1.

Ec.2.1.

t

mQm

0t

=→

El caudal volumétrico instantáneo Qv es el volumen V de fluido que traspasa una sección de control en una unidad de tiempo lo más pequeña posible. Ec. 2.2.

t

VQ v

0t

=→

El agua posee una compresibilidad tan baja para las presiones a las que es sometida en la red de agua potable que para efectos prácticos se puede suponer incompresible. Esto implica que su densidad puede ser considerada prácticamente constante. El caudal volumétrico y el másico se relacionan entre sí por la densidad del fluido en que se miden. Ec. 2.3.

ρ⋅= vm QQ

Con fines prácticos se utilizan muchas veces los valores promedio de estas variables considerando lapsos de tiempo no infinitesimales. Para el resto del curso cuando se hable de caudal se referirá al caudal volumétrico y se designara por la letra Q, salvo se indique otra cosa.

Sección de Control

m

5


Presión

Considérese una fuerza neta F que actúa sobre un pistón. Dicho pistón se desliza sin rozar dentro de un cilindro cerrado que contiene un fluido en su interior. Fig. 2.2 El efecto que dicha fuerza producirá en el fluido será una deformación, más perceptible en los gases y mucho menos en los líquidos. De acuerdo a la magnitud de la fuerza el volumen que ocupa el fluido se reducirá o aumentará. La deformación y el estado interno de tensiones serán extensivos a todo el fluido en la misma magnitud. La variable de estado que representa este cambio es la presión del fluido que macroscópicamente queda determinada por el cuociente entre la fuerza y el área del cilindro. Ecc. 2.4.

A

FP =

Con lo anterior lo que se debe tener claro es que la presión es una propiedad interna del fluido que en el equilibrio se transmite a todo el fluido con la misma magnitud. Los esfuerzos que transmite a la superficie del recipiente que lo contiene son normales a esta. Fig. 2.3. Si desde un contenedor con la suficiente resistencia mecánica se extrae todo fluido contenido inicialmente en él, se puede perfectamente decir que la presión en el interior es cero. Esto se debe a que la propiedad está definida precisamente para el fluido. Intuitivamente esto nos resulta extraño, pues implica que no existen presiones negativas y sin embargo en la práctica seguro nos hemos encontrado más de alguna vez con situaciones en que la presión es menor que cero. Lo que ocurre es que los aparatos que empleamos para medir presión lo hacen en equilibrio con el ambiente. Y el ambiente, que normalmente es la atmósfera, se encuentra sometido a una presión, la presión atmosférica. La atmósfera es un fluido gaseoso que se encuentra atrapado por la fuerza gravitatoria de la tierra. Este gas por lo tanto tiene un peso y ejerce una presión sobre la superficie de la tierra y todos los cuerpos que en ella se encuentran.

F

A

F

A

6


Diferenciamos estas presiones por escalas distintas, la que parte de cero se denomina presión absoluta y la que se mide contra la presión atmosférica se denomina presión relativa. Evidentemente la relación entre ambas es: Ecc. 2.5.

atmabsrel PPP −=

Conservación de Masa Considérese el siguiente esquema que muestra un estanque alimentado a un caudal conocido y evacuado a otro caudal también conocido. Fig. 2.4. Si por ningún otro medio se alimenta o evacua fluido alguno, se tendrá que si el caudal de alimentación es mayor que el de evacuación la masa contenida en el estanque aumentará tanto como de la diferencia de dichos caudales. Si por otra parte el caudal de evacuación es mayor que el de alimentación, se tendrá que la masa en el estanque disminuirá también en un valor equivalente a la diferencia hasta el punto que llegue a agotarse en un tiempo determinado. Es lógico por lo tanto razonar que si ambas corrientes tienen caudales de la misma magnitud, la masa no se acumulará ni disminuirá, es decir permanecerá constante. Por otra parte, si la densidad es constante, como puede ser considerada el agua en los casos que queremos tratar, el caudal volumétrico también permanecerá constante. Ecc. 2.6. QQQ se == ⇔ M cte.

Si se considera aisladamente un tramo de cañería que conduce agua, si es que no existe pérdida o acumulación en ella, el caudal que entra será idéntico al que sale.

Qe

Qs M

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Esta conclusión es generalizable a cualquier tramo de modo que se puede decir que el caudal a lo largo de la cañería es constante. Fig. 2.5. Una de las implicancias que queremos resaltar requiere de la siguiente definición: Considérese una partícula lo más pequeña posible de fluido, se define la velocidad instantánea de esta como la distancia que recorre por unidad de tiempo tomando este último lo más pequeño posible. Esta forma puntual de definir la velocidad en un fluido se extiende a todo el fluido considerando la velocidad promedio de todas las partículas del fluido que trasponen una sección de control, se dice que el fluido en esta sección se mueve a una velocidad media dada (o simplemente a una velocidad dada). El caudal volumétrico y la velocidad están relacionados geométricamente: Fig. 2.6. A una velocidad media v, en un tiempo t las partículas recorrerán una cierta distancia en la cañería, de modo que al cabo de este tiempo por la sección de control de área A habrá pasado un volumen equivalente directamente proporcional a la velocidad media. Lo que representamos numéricamente como: Ecc. 2.7.

vAt

xAQ ⋅=

∆⋅=

Esta relación puede ser hecha en una cañería en con dos secciones distintas: Fig. 2.7.

Q Q

v

∆x=v t

Q Q

A

Q Q v1 v2

A1

A2

8


Luego, por conservación de masa: Ecc. 2.8.

2211 AvAv ⋅=⋅ Luego las velocidades están en una proporción inversa con su área. Mientras menor es el área mayor es la velocidad. Conservación de Energía El concepto de energía es asociado convencionalmente con el trabajo. El trabajo es el esfuerzo ponderado por su resultado, en el caso de trabajo mecánico el resultado es movimiento. El movimiento de los componentes de un sistema si se altera su estado de reposo o velocidad constante requiere de trabajo, este trabajo será realizado por un agente externo al sistema requiriendo energía para ello. La energía será transferida de un sistema a otro, de modo que en su nuevo estado el sistema sobre el que se efectúa el trabajo habrá aumentado su energía: Fig. 2.8. Ecc. 2.8.

W = E2 - E1 La energía en el sistema sobre el que se realizó podrá ser empleada para realizar trabajo sobre otro sistema. Tómese el ejemplo de un resorte sobre el cual por algún medio externo se efectúa un esfuerzo capaz de comprimirlo. Sobre el se ha efectuado un trabajo y como resultado de este se ha acumulado energía que denominamos potencial porque esta latente su capacidad de entregar trabajo nuevamente. Si liberamos la restricción que mantenía comprimido el resorte se extenderá confiriéndole al resorte una velocidad: Fig. 2.9. Ep=0 Ep=F⋅∆x Ep→ Ec(v)

E1 E2 >E1 W

F ∆x v

9


Es evidente que esta velocidad será mayor mientras más se haya comprimido el resorte. La energía transformada en movimiento se llama energía cinética y la suma con la energía potencial será la energía mecánica total que se mantendrá constante: Ecc. 2.9.

Ep + Ec = E cte Existen múltiples ejemplos de conservación de energía mecánica (péndulo, rebote de una pelota, etc.). La energía se almacena en una configuración en forma potencial y luego se transforma en energía cinética sin pérdida alguna. Esta equivalencia, sin embargo, no nos resulta del todo coherente con la realidad. Ocurre que nuestra observación habitual es que en efecto la energía mecánica se conserve, pero no totalmente. Algo hace que disminuya entre un rebote y otro, entre una oscilación y otra hasta que el movimiento cesa en un tiempo mas o menos largo. El estudio de la física del calor condujo a los científicos a determinar que esa pérdida de energía mecánica era totalmente atribuible a una transformación de la misma en energía térmica. Considerando esta otra energía se puede formular “casi” sin error un principio de conservación que incluya la energía mecánica, cinética o potencial, y la energía térmica. En el tema Perdida de

Carga se trata la magnitud y el origen de estas pérdidas. No podemos dejar de señalar que la ciencia más contemporánea ha modificado este principio de conservación de la energía. Sin embargo, el ámbito de aplicación de estos nuevos principios esta relacionado con la energía nuclear y no con la hidráulica que estamos tratando. Una observación de todos estos fenómenos nos lleva a generalizar el concepto de que la tendencia es que los sistemas reduzcan su energía potencial transformándola en energía cinética, el estado resultante se denomina de equilibrio estable y en el resorte corresponde con la longitud que tiene sin esfuerzo, en el péndulo la posición mas baja, en la pelota que rebota la pelota en el piso, etc. Para los fluidos el principio de conservación queda definido por la expresión de la energía mecánica total por unidad de masa, que en estado estable es constante. Esta es la conocida ecuación de Bernoulli: Ecc. 2.10.

cte2

vmmphgm

2

=⋅

+ρ

⋅+⋅⋅

⇔ Ecc. 2.11.

cte2

vphg

2

=+ρ

+⋅

⇔ Ecc. 2.12.

cteg2

v

g

ph

2

=+ρ

+

Observar que todos los términos tienen unidades de altura.

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Hemos separado cada término para explicar la naturaleza de su contribución: Energía potencia geodésica Ecc. 2.13.

hgm ⋅⋅

Se debe a la atracción gravitatoria. La fuerza necesaria para elevar un cuerpo cualquiera sobre la superficie de la tierra será igual a su peso (siempre que se puedan despreciar o eliminar los efectos de flotación en la atmósfera): Fig. 2.10. El trabajo para llevar el cuerpo desde un punto a otro dependerá de la diferencia de altura entre ambos, luego la diferencia de energía será igual al trabajo necesario para pasar de una posición a otra: Ecc. 2.14.

hgmhPWE ⋅⋅=⋅==∆ Esta energía que permanece en estado potencial puede ser liberada si se elimina la restricción que mantiene el cuerpo elevado. Energía de Presión. Ecc. 2.15.

ρ

⋅ mp

Se debe al estado interno de deformación y tensiones al que es sometido un fluido por efecto de un esfuerzo externo.

g

m

P = m⋅g

h

P

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Considérese un cilindro conteniendo un fluido a presión constante. Sobre el pistón actúa una fuerza F que desplaza un volumen. La acción tiene asociada un trabajo. La relación entre el desplazamiento y el cambio de volumen, es inversa a la que existe entre la fuerza y la presión: Fig. 2.11. Ecc. 2.16.

A

Vx =∆

Ecc. 2. 17.

ApF ⋅= Luego el trabajo puede ser expresado en función de la presión y del volumen desplazado: Ecc. 2.18.

VpA

VApxFW ⋅=⋅⋅=∆⋅=

Luego en función de la masa y la densidad: Ecc. 2.19.

ρ=

mV

⇒ Ecc. 2.20.

ρ

⋅=

mpW

F

A

F

∆x

p p

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Energía Cinética. Ecc. 2.21.

2

vm 2⋅

La deducción matemática de este término requiere del dominio de ciertas habilidades de cálculo integral que no corresponden a este curso. Sin embargo, podemos hacer un experimento en el que se compruebe la relación cuadrática entre una forma de energía conocida y la energía cinética: Fig. 2.12. En el dibujo se muestra idealizadamente un chorro de agua de sección constante que se eleva hasta una cierta altura. En este punto su velocidad es nula y toda su energía mecánica es equivalente a la energía potencial geodésica. Analicemos algunos casos de aplicaciones de la ecuación. Observe que se asume la validez de la fórmula despreciando otras formas de energía que constituirían pérdidas de la energía mecánica disponible. ∆v=0 Considérese el ejemplo del dibujo: Fig. 2.13.

g

Q 2Q

h

4h

g

∆h p = po

(1)

(2)

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El fluido sin movimiento alcanzará un estado de equilibrio en que la diferencia de altura y la diferencia de presión son directamente proporcionales. La relación se deduce de la ecuación: Ecc. 2.22.

g

ph

g

ph 2

21

1ρ

+=ρ

+

⇔ Ecc. 2.23

ghp ⋅ρ⋅∆=∆ En este ejemplo se consideraron velocidades nulas, sin embargo la hipótesis general considera velocidades iguales, por ejemplo una cañería en que se consideran dos secciones iguales. ∆p=0 Ahora un ejemplo con fluido en movimiento en que se consideran secciones de control sometidas a la misma presión, la presión atmosférica: Fig. 2.14. El cuadrado de la velocidad del flujo que sale por la cañería inferior es directamente proporcional al nivel del estanque desde el eje del extremo de la cañería. La deducción es la siguiente: Ecc. 2.24.

g2

vhh

2

21 +=

⇔ Ecc. 2.25.

hg2v ∆⋅⋅=

g

∆h

po (1)

(2)

po v

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∆h=0 Considerando una cañería cuyo eje esté vertical (o en un ambiente sin gravedad), con una variación en su sección transversal: Fig. 2.15. Como se dedujo antes por conservación de masa las velocidades deben ser distintas en ambas secciones. Y además como se deduce de la ecuación también serán distintas las presiones. El cambio de presión al cuadrado es directamente proporcional al cambio de velocidad: Ecc. 2.26.

g2

v

g

p

g2

v

g

p 222

211 +

⋅ρ=+

⋅ρ

⇔ Ecc. 2.27.

ρ

∆=∆

pv

Pérdida de Carga En los sistemas mecánicos no ideales la energía mecánica se pierde, o mejor dicho se transforma en energía de otro tipo, generalmente térmica, en alguna cantidad. Para el caso de los sólidos seguramente habremos oído del roce. El responsable de que los mecanismos tengan pérdidas de energía la mayoría de las veces es el roce que existe entre las superficies de los sólidos. Tensiones y deformaciones microscópicas que aumentan localmente la energía de las moléculas en la superficie de los sólidos y generan estados de energía sobre la energía de equilibrio del sistema. Localmente estos estados energéticos excitados se manifiestan como mayor temperatura que se disipa en forma de calor. La energía que no se transforma en trabajo mecánico se transforma en calor.

Q Q v1 v2

A1

A2

(1)

(2)

A1

p1

p2

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Ahora bien, los fluidos, sean líquidos o gases tienen un cierto grado de cohesión y en contacto con un cuerpo manifiestan un grado de adhesión a la superficie entreambos. Esto significa que existe interacción mecánica entre las moléculas del fluido y entre el fluido y las paredes de la cañería. A diferencia de los sólidos esta interacción no se manifiesta como una resistencia elástica dependiente de la magnitud del esfuerzo de corte que produce una deformación reversible: Fig. 2.16. En los fluidos el esfuerzo produce una deformación creciente que se manifiesta en cambio como una resistencia mecánica que depende de la velocidad entre el fluido y el cuerpo sobre el que se desplaza, o entre “capas” de fluido con distinta velocidad. La característica interna del fluido que le da la magnitud a esta resistencia es la viscosidad. Además, el nivel de interacción que origina la pérdida de energía mecánica también dependerá de la forma microscópica de la superficie en contacto, es decir de su rugosidad. Este tipo de pérdidas explica las pérdidas en tramos de tubería de sección constante, el resultado de experiencias y teorías que no mencionaremos aquí llevó a formular una ecuación generalizada para este tipo de pérdidas: Ecc. 2.28.

g2

v

D

LH

2

⋅⋅⋅λ=∆

El coeficiente λ depende del grado de turbulencia del fluido y de la rugosidad. El nivel de turbulencia se define por la razón adimensional entre la velocidad, el diámetro del conducto, la viscosidad y la densidad del fluido: Ecc. 2.29

µ

⋅⋅ρ=

DvRe

F F α v

v

v=0

Sólido Líquido

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En este número esta implícita la influencia de la resistencia que genera la interacción del fluido consigo mismo y la resistencia que se genera entre el fluido y las paredes de la cañería. Un Re alto implica una preponderancia de la resistencia entre las paredes y las capas de fluido más cercanas a estas y una baja resistencia originada en el fluido mismo. Esto se explica en el patrón de velocidades del fluido en una sección determinada de cañería (la longitud de las flechas indica la magnitud de la velocidad): Fig. 2.17. Observar que en régimen laminar el fluido más cerca de las paredes tiene una velocidad muy baja, en tanto que en régimen turbulento la velocidad crece rápidamente en dicho entorno y las diferencias de velocidad en el seno del fluido son mucho menores. A caudales bajos las mayores diferencias de velocidad que generan el roce viscoso se producen en el interior del fluido y no con las paredes de la cañería. A caudales altos las diferencias de velocidades se producen principalmente entre el fluido más cercano a las paredes y las paredes mismas. El caudal, o mejor expresado, la velocidad critica a la que se produce esta transición esta dado por el número Re en torno al valor 12000, un Re superior indica flujo turbulento. Pero, las pérdidas de energía mecánica útil no sólo se deben al roce viscoso. En efecto, si medimos la energía mecánica del fluido a la entrada y la salida de una línea es probable que nos encontremos con que la diferencia es superior a la cantidad de calor que se transfiere al medio. Ocurre que en todo momento hemos considerado que la velocidad de fluido en una cañería tiene toda la misma dirección y esto no necesariamente es cierto. En particular cuando dentro de una cañería se introduce una forma como la del dibujo, en el se muestran las líneas de flujo, que representan trayectorias del fluido: Fig. 2.18.

Régimen Turbulento Régimen Laminar

Líneas de flujo

Perfil de Velocidades

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Lo que ocurre es que a determinado caudal se producen vórtices o “remolinos”, que pueden llegar a tener bastante velocidad, que no contribuye al flujo total, pero que si tiene asociada una energía cinética. Este tipo de resistencia se denomina resistencia de forma y su análisis desde el punto de vista de la energía es compatible con la ecuación de Bernoulli. De hecho la zona del torbellino, de alta velocidad, efectivamente es una zona de baja presión que resiste el movimiento general del fluido. Este tipo de pérdida es denominada secundaria y explica la mayor parte de las pérdidas que se denominan singulares: en codos, válvulas, transiciones (estrechamientos y expansiones) y accesorios en general. El valor depende de la forma geométrica y de la velocidad media del flujo, de acuerdo a la fórmula: Ecc. 2.30.

g2

vH

2

⋅⋅ε=∆

Bombas

Los efectos de los elementos de los sistemas de transporte de fluidos antes descritos se manifiestan como pérdidas de la energía mecánica disponible. Pero, también conocemos elementos que contribuyen a aumentar esta energía. Este es el rol que cumplen las bombas. Se trata de máquinas capaces de convertir en energía mecánica alguna otra forma de energía, normalmente eléctrica. Su concepción es simple, pero la comprensión total de su funcionamiento se escapa del objetivo de este curso. La mayoría de las bombas que se emplean en la conducción del agua en la red son del tipo centrifugas. Están compuestas principalmente por un motor eléctrico que convierte la energía eléctrica en mecánica rotacional, además de un eje, un rodete y el cuerpo de la bomba. El rodete es una pieza circular que tiene alabes cuya función es transferir impulso al agua en el cuerpo de la bomba. El impulso hace girar el agua que debido a su rotación se aleja del centro de la bomba. Esto genera una caída de presión entre el centro del rodete y el extremo más alejado. El cuerpo de la bomba posee una entrada en el centro y una salida en el extremo de modo que en el mismo sentido en que la diferencia de presión se genera, se produce la transferencia del fluido. En síntesis esta máquina es capaz de movilizar el fluido produciendo una diferencia de presión lo cual necesariamente esta asociado a un aumento de energía mecánica en el sistema.

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Resumen

El movimiento necesario del agua en las cañerías se debe a la energía mecánica disponible que se encuentra en estado potencial en forma de energía geodésica, en forma de presión o manifestada directamente en la velocidad del fluido como energía cinética. La energía mecánica disponible en la medida en que se transforma en movimiento genera pérdidas atribuibles al roce con la superficie de la cañería (perdidas primarias) o a las variaciones en la geometría del conducto y los accesorios a través de los que fluye (perdidas secundarias o singulares). Las bombas son maquinas que permiten aumentar la energía mecánica disponible. Recordemos que en la ecuación de Bernoulli sus términos se expresan en forma alturas. Esto permite representar directamente dos cantidades importantes: La energía mecánica total disponible (gradiente de energía): Ecc. 2.31.

g2

v

g

phH

2

+ρ

+=

La energía potencial, que aun no se ha transformado en energía cinética (gradiente hidráulico): Ecc. 2.32.

g

phh p

ρ+=

Esta magnitud también se denomina altura piezométrica. De este modo se representa la situación hidráulica de un sistema de manera gráfica: Fig. 2.19.

hp

H H

g2

v21

g2

v22

g2

v23

v1 v2 v3

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2. Proceso Dinámico →→→→ Control →→→→ Válvulas

Proceso Dinámico Como cualquier proceso productivo el proceso del agua potable depende principalmente de la disponibilidad de recursos y los requerimientos específicos de los consumidores. La demanda desde el punto de vista de la calidad del recurso está estandarizada por límites permisibles para una serie de características físico-químicas y condiciones fluidodinámicas. Por otra parte, la cantidad requerida y la disponible depende de muchos factores que varían a lo largo del día y entre un día y otro. Para el diseño de los sistemas de abastecimiento se establecen estadísticamente ciertos rangos. Entonces, en la operación se deben cubrir las diferencias puntuales entre los requerimientos y disponibilidades instantáneas. Los requisitos básicos que plantea el sistema de abastecimiento desde el punto de vista físico están relacionados a caudales que se deben satisfacer y presiones mínimas o máximas que no se deben trasponer. Cuando un proceso presenta dicha variabilidad, su operación requiere control. Tomando en cuenta el esquema en que el proceso está determinado por variables de entrada cuyo estado determina las variables de salida, primero se definen las variables de salida principales que corresponden a características asociadas a la calidad del producto y luego para estas se determinan sistemas de control bajo el modelo siguiente: Fig. 3.1. Las acciones se realizan sobre aquellas variables de entrada más correlacionadas con las variables medidas. Existen variables de entrada que no se manipulan y que alteran el valor de las variables de salida, se denominan perturbaciones y uno de los objetivos básicos del control es hacer que su influencia en las variables medidas sea mínima. En el tiempo las variables medidas pueden tener requerimientos distintos y será necesario adaptar los setpoints o valores deseados establecidos para dichas variables. En estas situaciones el sistema de control deberá reaccionar lo más rápida y eficientemente posible.

Establecer un valor deseado

Medir la variable

Identificar diferencias

Realizar acciones para corregir

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Los elementos que componen un sistema de control son: Fig. 3.2. Donde ECF: elemento de control final. En la figura se muestra un sistema de control retroalimentado, la acción del controlador se corrige en relación a la desviación que la variable medida tiene respecto de un valor establecido.

Válvulas Las válvulas, no sólo las que denominamos de control, son elementos finales de control, ECF. Su objetivo es regular y/o direccionar el flujo dentro de conductos cerrados. En términos de lo que hemos aprendido, las válvulas disminuyen reguladamente la energía mecánica disponible. En un extremo las válvulas pueden restringir totalmente el paso de un fluido. Fig. 3.3.

Controlador Sensor ECF

Entradas

Perturbaciones Salidas

Setpoint

Proceso

H(Q4)

H(Q3)

H(Q2)

H(Q1)

Q1>Q2>Q3>Q4=0

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La figura siguiente muestra las partes que típicamente integran una válvula: Fig. 3.4.

Existen distintos diseños de cada una de estas piezas que determinan la forma en que se transduce el comando del controlador en la acción de control. Típicamente esta relación se representa mediante la denominada curva inherente de flujo, que se obtiene midiendo el caudal que atraviesa la válvula medido en unidades de caudal o como porcentaje del máximo caudal en función del porcentaje del recorrido del obturador. Esta medición se realiza para una caída de presión constante: Fig. 3.5.

VÁSTAGO

CUERPO

OBTURADOR

ACTUADOR

% recorrido

% caudal máx.

30%

70%

0

100

100

22


El comportamiento inherente de la válvula queda descrito por la ecuación: Ecc. 3.1.

g2

vCH

2

v⋅

⋅=∆

La caída de presión constante que se emplea generalmente es de 1 bar o 1 psi, de modo que si las abcisas (en el eje vertical) están expresadas en unidades de caudal, el valor medido sea equivalente al de Cv en unidades de caudal sobre raíz cuadrada de presión. Si las unidades de las absisas son porcentaje del caudal máximo el proveedor de la válvula deberá indicará el valor de Cv para la condición totalmente abierta. Sobre el efecto que la válvula produce aguas abajo: En la figura 3.3. la ecuación que describe el gradiente hidráulico entre el nivel del líquido del estanque y algún punto en la cañería aguas abajo de la válvula tiene la forma: Ecc. 3.2.

g2

vC

g2

vChH

22

v ⋅−⋅−=∆

donde se ha considerado la pérdida en la cañería en la forma de la ecuación 3.1. y constante C, y evidentemente h es la diferencia de altura entre los dos puntos considerados. Reescribimos ∆H en función del caudal: Ecc. 3.3.

2

2

vAg2

Q)CC(h)Q(H

⋅⋅⋅+−=∆

lo que gráficamente se puede representar de acuerdo a la figura: Fig. 3.6.

∆H

h

CV(L1) H*

CV(L2)

CV(L3)

CV(L4)

L1> L2> L3> L4

Q4 Q3 Q1 Q2 Q

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En la que Cv está determinada por el recorrido de la válvula (Li) de acuerdo con su característica inherente de flujo. Si se considera un gradiente constante (en la figura H*) el caudal estará determinado por el recorrido de la válvula. Una consecuencia de utilidad es que para cualquier caudal el recorrido de la válvula se puede ajustar para mantener la presión constante en un punto de la cañería: L1 cuando el caudal es Q1, L2 cuando el caudal es Q2, etc. Se define la sensibilidad como la razón entre la variación del caudal a presión constante y una variación lo más pequeña posible del recorrido. Ecc. 3.4.

L

QS

cteP0L ∆

∆=

=∆→∆

Su valor corresponde a la pendiente de la curva inherente para cada porcentaje de recorrido. De acuerdo a la forma en que la sensibilidad se comporta a lo largo del recorrido las válvulas se denominan de: - sensibilidad decreciente, S(L=0)>n>S(L=Lmáx) - sensibilidad creciente, S(L=0)<n<S(L=Lmáx) Existen tipos especiales de válvulas, por ejemplo de: - sensibilidad constante o comportamiento lineal, S=n - sensibilidad creciente y luego decreciente o comportamiento lineal

modificado La figura siguiente muestra las formas típicas de las curvas inherentes de las clases definidas de sensibilidad: Fig. 3.6.

%

recorrido

% caudal máx.

0

100

100

s. creciente

s. decreciente

lineal

lineal modificado

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Es interesante observar lo siguiente respecto a ciertas características del obturador y asiento de las válvulas de acuerdo con su clasificación: En la figura siguiente se esquematizan las líneas de flujo de una válvula de aguja, de sensibilidad creciente: Fig. 3.7.

% recorrido

% caudal máx.

0

100

100

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Y en la siguiente una válvula de compuerta, de sensibilidad decreciente: Fig. 3.8.

La forma en que el obturador de la válvula de compuerta obstruye el paso de la válvula que genera una creciente zona de vórtices, pérdidas secundarias, que aumentan mucho mas rápidamente la pérdida de carga en la medida que se obtura, comparándose con la válvula de aguja. Las válvulas de sensibilidad decreciente se denominan comúnmente válvulas de corte y su acción típicamente es de tipo discreta es decir o abren o cierran. Además de la válvula de compuerta, de accionamiento lineal, caen dentro de esta categoría las válvulas de bola, macho y mariposa cuyo accionamiento es rotacional. Para que el obturador se mueva y permanezca en alguna posición de su recorrido, se debe efectuar un esfuerzo. El vástago y el actuador son los encargados de convertir la señal de comando del controlador en dicho esfuerzo. La forma más simple de actuador es el volante, una pieza que transfiere un esfuerzo manual, normalmente rotacional, en el desplazamiento o rotación del obturador. Existen otras formas de actuadores que transforman otro tipo de comandos, por ejemplo eléctricos, de presión neumática o hidráulica.

% recorrido

0 100

100

% caudal máx.

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3. Válvula de Control Hidráulica

Descripción General

Cuando las formas de energía disponibles para efectuar el comando de una válvula son restringidas y el fluido no representa un problema para el mecanismo del actuador, se puede emplear con ventajas el propio fluido manipulado. De esta forma se utiliza la energía mecánica del mismo fluido que se controla. La pieza fundamental es el actuador que muchas veces es parte integral del cuerpo de la válvula. Cuando se encuentra separado se puede distinguir con facilidad la cámara de control sobre el cuerpo de la válvula. En dicha cámara, mediante cañería de diámetro pequeño se introduce el fluido que desplaza, un pistón o una membrana solidaria al vástago. La acción típica de estas válvulas es lineal y las válvulas son en su mayoría de globo. Fig. 4.1.

Tapa

Conjunto Membrana

Cuerpo

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Actuador Hidráulico La condición en que la válvula permanece mientras no se introduzca fluido en la cámara es la condición denominada normal. Para explicar el principio de operación de la válvula hemos tomado una válvula normal cerrada en que un resorte mantiene la válvula cerrada mientras no exista una presión que desplace el obturador. La mayoría de las válvulas de control hidráulico son normal cerradas. Si la presión del fluido es capaz de vencer esta tensión inicial, la válvula se abre oponiendo una pérdida de carga baja. Si en la condición señalada, por algún medio se introduce fluido a una cierta presión a la cámara de control, se tiene lo siguiente: Fig. 4.2.

Si la presión en la cámara superior es mayor que un cierto valor, la válvula se mantendrá cerrada, sino abrirá hasta que se equilibre el empuje viscoso que el fluido ejerce sobre el obturador: Ecc. 4.1.

abiertaPAPAPALk

cerradaPAPAPALk

diafragmaobturadorcdiafragmamáx

diafragmaobturadorcdiafragmamáx

⇒⋅+⋅<⋅+⋅

⇒⋅+⋅≥⋅+⋅

−+

−+

.sup.

.sup.

En la mayoría de las válvulas de control hidráulico Adiafragma > Aobturador. Para presiones distintas de Pc.sup. se conseguirán distintos porcentajes del recorrido de la válvula L. Mientras mayor es la presión Pc.sup., más recorrido L se habrá realizado en el vástago obturando la válvula de control en la cantidad que determina su curva inherente.

Fresorte(L)

Fobturador (P+)

Fdiafragma(Pc.sup.)

Adiafragm

Pc.sup.

P+

Aobturador

Fdiafragma(P-)

P-

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En algunas válvulas de control la parte inferior de la membrana no está expuesta a la presión del fluido en la línea y en otras una cámara inferior permite introducir una presión controlada cuyo fin es abrir la válvula. La válvula de doble cámara se muestra en el siguiente corte: Fig. 4.3.

Tapa

Cámara Inferior

Cuerpo

Perforación

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En la válvula de cámara simple Hytrol y la de cámara doble Powertrol, el fluido puede alimentarse desde abajo del obturador o desde arriba sin afectarse la funcionalidad de la válvula. A la primera modalidad se le llama de flujo normal y la segunda de flujo inverso: Flujo Normal (Fig. 4.4.) Flujo Inverso (Fig. 4.5.) El sentido de flujo normal permite amortiguar el cierre de la válvula disminuyendo la posibilidad de que se generen transientes hidráulicos no deseados. Sin embargo, en muchas aplicaciones se prefiere el sentido inverso cuando se requiere que en caso de rotura del diafragma la válvula se cierre.

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Dos variaciones a los modelos Hytrol y Powertrol permiten que la válvula opere solamente en sentido normal, previniendo el flujo inverso. Estos modelos se llaman Hy-check y Powercheck respectivamente. Se muestran a continuación: Hy-check (Fig. 4.6.)

Powercheck (Fig. 4.7.)

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Las investigaciones desarrolladas por CLA-VAL en conjunto con terceras partes han permitido incorporar importantes modificaciones a su modelo mas usado, Hytrol, para ampliar su rango de aplicaciones a caudales y condiciones de cavitación más exigentes. En primer término está el modelo de paso reducido Hytrol 100-20, que permite manejar rango de caudal más amplio por su cuerpo mejorado y es además una alternativa bastante económica en relación al modelo de paso total. Además, en paso reducido está la Hy-check 100-23, Powertrol 100-21 y Powercheck 100-22 Fig. 4.8.

Y en segundo término el modelo Hytrol 100-01KO anti-cavitación que permite manejar presiones diferenciales de hasta 300 psi y en aplicaciones con descarga atmosférica de hasta 150 psi. Esencialmente este modelo introduce un conjunto de diafragma y asiento, que puede reemplazarse en válvulas Hytrol 100-01 para convertirlas en 100-01KO. Fig. 4.9.

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Todos estos modelos poseen la ejecución normal lineal, salida y entrada en el mismo eje, y angular, salida y entrada en ángulo recto. La ejecución angular posee mayor capacidad de flujo y permite en muchos casos simplificar el montaje. Tabla 4.1.

Lineal Angular Hytrol 100-01 Hy-check

Powertrol 100-01 Powercheck

Hytrol 100-20 Hy-check

Powertrol 100-20 Powercheck

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Finalmente, los siguientes modelos corresponden a diseños innovadores de válvulas de control hidráulicamente operadas, cuyas aplicaciones presentan interesantes ventajas. Roll-Seal (Fig. 4.10.) Corresponde a una válvula de flujo anular, compuesta únicamente por una membrana y cuerpo, posee como principal característica su gran velocidad de acción. La forma en que el fluido es obturado disminuye las turbulencias permitiendo un mejor control de amplio rango de caudales. Además, su diseño estrecho facilita el montaje.

Válvula Tubular (Fig. 4.11.) También es una válvula de flujo anular. En este caso la válvula se obtura mediante una manga elástica que restringe el paso del fluido contra un núcleo sólido. La principal característica de esta válvula es una capacidad de flujo inigualable (baja pérdida de carga) y amplio rango de caudales.

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Parámetros de Selección y Operación

Independiente de la función que cumple una válvula de control hidráulico, puede ser caracterizada por los siguientes parámetros:

- Presión Máxima y Mínima - Caudal máximo y Mínimo - Pérdida de Carga con Válvula Abierta - Condición de Cavitación

En el capítulo siguiente se desarrolla cada tema asociado a la función reductora.

Principio Abre-Cierra

Considérese el siguiente esquema que muestra una válvula de control hidráulico en que la cámara de control ha sido conectada mediante líneas más pequeñas con la cañería principal aguas arriba y aguas abajo. Además se han dispuesto válvulas de corte en las líneas pequeñas. Fig. 4.12.

línea piloto aguas arriba

línea piloto aguas abajo

vva. corte (2)

vva. corte (1)

cámara de control

válvula de control principal

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Si se abre la válvula de corte (1) hasta lograr un equilibrio de presiones, la cámara de control se presurizará de modo que el obturador cerrará la válvula de control: Fig. 4.13.

Si se cierra la válvula (1) la posición se retendrá dado que el volumen de la cámara de control no varía. Si se abre la válvula de corte (2) hasta lograr un equilibrio de presiones y si la presión de alimentación es superior a la mínima de la válvula, la cámara de control se despresurizará y evacuando el volumen contenido hacia la cañería aguas abajo del obturador abrirá. Fig. 4.14.

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De nuevo si se cierra la válvula (2) la posición se retendrá. La misma operación de apertura normalmente es posible comunicando la cámara de control con el ambiente. Para ello se requiere una línea y una válvula de corte adicional: Fig. 4.15.

Entre ambos estados extremos se pueden conseguir posiciones intermedias regulando la evacuación y llenado de la cámara de control. Lo que ocurre en realidad es que se establece a voluntad una presión dada para la cámara de control jugando con las pérdidas de carga de las líneas (1) y (2).

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PILOTOS

VÁLVULA

Válvula de Control Hidráulico: Elemento de Control Final Flexible Una de las ventajas principales de las válvulas de control hidráulico es que además de posibilitar su accionamiento empleando la propia presión del fluido, es posible establecer sistemas de control que midan y establezcan controles locales empleando sistemas hidráulicos basados en el mismo líquido de las cañerías principales. Otra ventaja adicional es que los mecanismos de control emplean elementos y líneas pequeñas en relación a la válvula principal (típicamente entre ¼ y ½ in) representando por lo mismo una alternativa muy económica de control local. El siguiente esquema desarrolla la idea de la flexibilidad de las válvulas de control hidráulico: Fig. 4.16. A partir de una válvula principal se pueden desarrollar variadas funciones, se pueden integrar en una misma válvula y se pueden emplear diversas alternativas de implementación para el control. Todo esto porque el sistema de control se basa en líneas y pilotos intercambiables.

- Múltiples funciones - Funciones Simultaneas

- Opciones de implementación - Escalamiento de tecnologías

FLEXIBILIDAD

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4. Función Reductora de Presión

¿Por qué reducir presiones? En relación a las presiones de las cañerías de los sistemas de abastecimiento de agua potable la norma NCh. 691 establece que el valor medido al nivel del terreno sobre la cañería:

- excluyendo el arranque debe ser mínimo de 1.5 kgf/cm2 para el consumo máximo horario con una pérdida de 0.5 kgf/cm2 en el arranque

- en el caso de existir grifos la presión mínima dinámica se considera al caudal máximo horario más el caudal de incendio (16 lt/seg) y es de 0.5 kgf/cm2

- debe ser en el caso estático, inferior a 7 kgf/cm2 Para el resto de los sistemas las presiones máximas y mínimas dependerán de los materiales y el balance de energía mecánica requerida para el transporte del fluido en las condiciones de caudales y presiones que dispone la misma norma. Con todo, el objetivo subyacente en estas restricciones es minimizar las pérdidas y disminuir las roturas, sin afectar el requisito de caudal y energía mecánica requerida para el consumo. Las pérdidas en un instante dado tienen una dependencia directa y cuadrática con la presión. Al respecto la explicación teórica viene dada por la dependencia de las presiones con la velocidad de un fluido. Estas implicancias se ratifican en estudios prácticos realizados incluso en nuestro país. Del mismo modo las roturas dependen significativamente de las presiones a las que se somete el material, debido a que estas generan las solicitaciones mecánicas más importantes en los sistemas que consideran ductos cerrados. Las presiones que establece la norma son inferiores a las que soportarían los materiales en condiciones normales, sin embargo, se debe tomar en cuenta que en la red ocurren fenómenos transcientes que pueden, por momentos, producir aumentos de presión muy superiores a dichos límites. Adicionalmente, al regular la presión se disminuyen los consumos excesivos permitiendo un uso más eficiente del recurso.

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Función Reductora Cuando se vio el tema de las válvulas en el capítulo 3 se concluyó para un sistema típico de una distribución con un estanque de regulación el recorrido de la válvula puede ser modificado con el fin de mantener una presión constante para caudales distintos. Lo que se verá a continuación es como una válvula de control hidráulico puede obturar en una relación tal que para condiciones variables de consumo y presión aguas arriba pueda mantener una presión constante aguas abajo de la misma. El requisito mínimo para abrir y cerrar una válvula de control hidráulica lo componen dos válvulas: una que regule la presurización desde aguas arriba y otra que regule la despresurización desde aguas abajo. En la configuración de una válvula reductora se reemplaza la válvula de aguas abajo por una válvula piloto cuyo recorrido depende de la presión aguas abajo y para la válvula de aguas arriba se emplea un restrictor fijo o válvula de aguja cuya operación es más sensible: Fig. 5.1.

válvula piloto

restrictor

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El piloto se denomina genéricamente piloto normalmente abierto y se muestra detalladamente en la figura siguiente Fig. 5.2.

Tornillo Ajuste Set Point

Tuerca Fijación Set Point

Resorte

Diafragma

Estribo

Conexión a Cámara de Control

Conexión a Aguas Abajo

Tapón y Guía de Estribo

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El diafragma es solidario al yunque, la pieza que obtura el paso del fluido hacia aguas abajo. La presión aguas abajo desplaza el diafragma hasta que se equilibre la fuerza del resorte en alguna posición que restrinja en una medida dada el alivio de la presión de la cámara de control. Mientras mayor es la presión de aguas abajo el piloto cerrará más, de modo que menor será el alivio de la cámara de control y con ello más se cerrará la válvula de control. El piloto cierra completamente produciendo el cierre de la válvula de control cuando la tensión del resorte en el máximo recorrido del obturador es superior al esfuerzo que realiza en el diafragma la presión aguas abajo: Fig. 5.3.

Dicha tensión establece de este modo la máxima presión de aguas abajo sobre la cual cerrará la válvula de control. La tensión puede ser regulada comprimiendo inicialmente el resorte y seleccionando un resorte de una cierta constante de elasticidad para ajustar esta presión máxima. Ecc. 5.1.

cerradaLkAP minpiloto ⇒⋅>⋅−

En la medida que la válvula de control cierra crea la pérdida de carga necesaria para restituir la presión máxima.

k⋅Lmin

P-⋅Apiloto

Lmin

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¿Qué rol juega el restrictor? Hasta ahora entendemos que hace que una válvula de control hidráulico abra o cierre. También entendemos como el piloto normal abierto cierra cuando la presión aguas abajo es mayor que un cierto máximo y la válvula de control por lo tanto cierra ¿A partir de este estado que ocurre cuando la presión disminuye bajo el valor establecido como máximo? Se establece una nueva longitud de equilibrio del resorte del piloto que iguala la presión de aguas abajo actuando sobre el diafragma del piloto. Esto implica, dado que el yunque es solidario al diafragma del piloto, que se abra en una cierta cantidad de su recorrido máximo. De este modo se establece un caudal que pasa por las líneas piloto, desde aguas arriba pasando por el restrictor y por el piloto. Dicho caudal piloto genera una caída de presión entre la toma de presión de aguas arriba y la cámara de control: Fig. 5.4.

Si se recuerda del análisis genérico de las válvulas de control hidráulico, una presión sobre la cámara superior menor a la tensión del diafragma y la fuerza viscosa del líquido sobre el obturador generará la apertura de la válvula en un porcentaje dado de su recorrido máximo. Dicha apertura de la válvula de control establecerá el caudal necesario para que la presión aguas abajo de la válvula de control sea la establecida por el setpoint. Desde este punto de vista el restrictor genera la diferencia de presión necesaria para que la válvula de control pueda abrirse.

∆P q

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Por otra parte, considérese el caso de una válvula de control que parte abierta, por ejemplo cuando el sistema atiende un consumo alto. Y en un instante el consumo disminuye. Por efecto, del propio sistema hidráulico la presión aguas abajo subirá. El piloto responderá rápidamente cerrando, pero la velocidad de respuesta de la válvula de control dependerá del volumen de la cámara de control y de cuan estrecho sea el paso del restrictor. Se puede concluir que la velocidad de cierre de la válvula de control dependerá de la apertura del restrictor. Otro aspecto importante en relación al rol que juega el restrictor tiene que ver con la dinámica del sistema. Los equilibrios que están en juego son de tipo hidráulico: caudales y presiones; y de tipo elástico: diafragmas y resortes. La dinámica de la respuesta de un resorte o un diafragma elástico es de segundo orden. En términos simplificados significa que pueden tener un comportamiento oscilatorio. Ordinariamente vemos que cuando se varía la longitud de un resorte la transición entre un estado y otro pasa por valores por sobre y por debajo de un valor en equilibrio. Este tipo de respuesta también se observa en las válvulas de control hidráulico cuando el flujo de la válvula es pulsante o cuando el obturador vibra en determinadas circunstancias. La amortiguación se logra disminuyendo la velocidad de respuesta del sistema, en el caso de la válvula reductora con un restrictor mas reducido. En términos prácticos, un restrictor muy abierto puede dificultar la apertura de la válvula principal, originar flujo pulsante o ruido en el obturador y muy cerrado puede hacer que la respuesta sea muy lenta. Típicamente los fabricantes sugieren una restricción fija para cada diámetro y modelo.

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5. Válvula Reductora de Presión La función reductora de presión es una de las aplicaciones que se puede lograr con una válvula de control hidráulico introduciendo en la línea que despresuriza la cámara de control un piloto normal cerrado y un restrictor en la línea que presuriza la cámara de control. No es el único tipo de reductora de presión, pero si el más empleado por su confiabilidad y simplicidad. Este tipo de reductora esta compuesta por:

- Válvula de control hidráulico - Piloto normal abierto - Restrictor - Válvulas de corte - Filtro - Líneas y fitting de las líneas piloto

Lo relacionado con la válvula de control hidráulico se trató en el capitulo 4. Los temas relacionados al piloto y la válvula de aguja se trataron en el capítulo 5. Siempre se debe colocar un filtro en la línea de piloto de aguas arriba para evitar que entren partículas que puedan obstruir los elementos de los circuitos: Fig. 6.3.

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Es recomendable emplear válvulas de corte en las conexiones de las líneas de aguas arriba y aguas abajo con la línea principal para aislar el sistema piloto cuando sea necesario efectuar las modificaciones o mantenciones requeridas sin intervenir la línea principal. Las líneas y fitinería son normalmente entre 3/8” y 1/2” in. y se emplean en cobre, acero inoxidable o nylon reforzado. Para el control de la velocidad de cierre y apertura, CLA-VAL dispone de válvulas específicas que se colocan en la línea de admisión de la cámara de control denominadas CV. Fig. 6.4.

Una opción bastante recomendable es el indicador de posición X101 que permite visualizar localmente la posición del obturador: Fig. 6.5.

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Selección De acuerdo a lo señalado es importante tener claro el cuerpo de la válvula a emplear y el resto de los elementos que conforman la válvula. La válvula se especifica de acuerdo a las condiciones hidráulicas de trabajo:

- flujo máximo y mínimo - presión de entrada máxima y mínima - presión de salida deseada

Estas permiten determinar el modelo y diámetro más apropiado. Las dos primeras son genéricas para todo tipo de válvula de control hidráulico independiente de su función. La presión máxima de entrada está relacionada con la presión máxima que puede soportar la estructura, se expresa en al forma habitual como la presión máxima nominal PN10-PN16-PN25-PN40. La presión mínima de entrada se relaciona con la tensión necesaria para vencer el resorte o diafragma de la válvula de control normalmente en torno a 0.5 bar. Una presión inferior no abre o abre irregularmente la válvula. En aplicaciones especiales se pueden emplear válvulas de doble cámara y alimentar una línea piloto con presión a la cámara inferior necesitando una presión mínima menor. Otra consideración importantísima es la pérdida de carga mínima de la válvula que se expresa normalmente en forma de gráfico: Fig. 6.6.

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O en forma del coeficiente de flujo. Tabla 6.1.

donde

Q: caudal ∆P: caida de presión La pérdida de carga mínima está determinada por el paso del asiento y la configuración geométrica del cuerpo. La caída de presión esta limitada en relación a la presión de entrada. Reducir más la presión pone al sistema en riesgo de cavitación. Esta condición de cavitación se aplica a todas las singularidades que producen pérdidas de carga. Localmente existen zonas al interior del cuerpo de la válvula en que se crean presiones inferiores a la presión de vapor del agua a la temperatura a que se encuentra. La cavitación es un fenómeno que genera erosión y en general deterioro de las partes en contacto con el fluido de modo que su ocurrencia es lo que se evita respetando estas restricciones. Para mejorar la razón de reducción se emplean obturadores especiales (Hytrol 100-01KO) y diseños de cuerpos especiales (Hytrol 100-20). Otra opción que debe ser evaluada es emplear más de una válvula en línea cuando la razón de reducción que se requiere es muy alta o el empleo de una placa orificio.

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La condición de cavitación también se expresa en forma de gráfico: Fig. 6.7.

Que no es mas que la representación del coeficiente de cavitación: Ecc. 6.1.

5.021

2 =−

−=

PP

PPK V

donde P2 : presión de salida P1 : presión de entrada Pv : presión de vapor

Además, CLA-VAL ofrece asesoría especifica para este tema empleando su aplicación CLACAV para predecir el comportamiento bajo un determinado rango de condiciones hidráulicas.

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En ocasiones los fabricantes indican una velocidad de flujo máxima m/s que determina para cada diámetro un caudal máximo, esta restricción se relaciona también con la cavitación. Una restricción operativa importante a considerar es el de la velocidad de cierre de la válvula. Debe tomarse en cuenta que la reacción de la válvula no es instantánea, el cierre y apertura de la válvula dependen de las variaciones en el volumen de la cámara de control. Para diámetros grandes la cámara de control también es grande de modo que la respuesta de la válvula puede ser más lenta. Si las circunstancias lo requieren, en el caso de que las perturbaciones esperadas puedan ser muy rápidas y representen un riesgo de aumento rápido de presión aguas abajo, lo más aconsejable es colocar adicionalmente una válvula de alivio rápido de presión para proteger la instalación. Otros datos que adicionalmente se requieren se relacionan con las conexiones y características del fluido que pudieran ser agresivas con los materiales de la válvula.

Instalación El esquema de instalación típico es el que muestra a continuación: Fig. 6.8.

3

9

6

4

8

2

10

5

7

1

50


La opción de colocar un by-pass facilita notablemente la operación y mantención de la válvula de control, otra opción es tener otra válvula de control para alternar su operación. Las válvulas de corte 3 y 9 permiten aislar la válvula de control en los casos en que se requiera. La unión de montaje 6 que aquí se sugiere permite realizar las operaciones de montaje y desmontaje de la válvula y el filtro. El filtro 4 es esencial si existe la posibilidad de que algún sólido se atraviese en la válvula. La ventosa de aguas abajo 7 debe eliminar el aire que se genera producto de la despresurización que genera la válvula de control y debe quebrar el vació cuando se cierre la válvula de control. Eventualmente se coloca otra ventosa aguas arriba para eliminar el aire que pueda venir en la línea y perturbar el funcionamiento de la válvula de control. El montaje de la válvula debe realizarse considerando el espacio necesario para la operación y mantención de la válvula. Se debe considerar el acceso fácil a los pilotos. La válvula opera mejor si los accesorios se colocan ha mayor distancia y de preferencia si el conjunto se monta alejado de otras singularidades que perturben el flujo. La línea debe ser purgada antes de colocar la válvula para eliminar sólidos que pudieran obstruirla. Se debe respetar el sentido de flujo de la válvula de control. Algunas válvulas de control es preferible instalarlas verticalmente.

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Calibración Lo primero es asegurar un flujo constante en la cañería. Si sospecha de la presencia de aire en la cámara superior conviene purgarlo lentamente. Si la válvula posee CV esta debe estar abierta por lo menos 3.5 vueltas inicialmente. Retire la tapa del piloto y afloje la contratuerca. Considere siempre el empleo de un manómetro aguas arriba y otro aguas abajo. Gire el tornillo del piloto en el sentido de las manecillas del reloj para aumentar la presión aguas abajo y en sentido inverso para reducirla. Disminuya el caudal en la línea y verifique la estabilidad de la presión de aguas abajo. Si la válvula posee CV podrá disminuir la velocidad de cierre o apertura comprimiendo el tornillo de este. Si la válvula presenta un comportamiento oscilatorio, comprimiendo el tornillo podrá amortiguarlo. No conviene una apertura inferior a 0.5 vueltas. Ajuste la contratuerca del piloto y coloque la tapa.

Para Abrir y Cerrar la Válvula Este tema es muy importante en caso de emergencias. Asegúrese de conocer la operación y los efectos que tendrán en el sistema sus acciones. Si se colocan válvulas de corte antes y después de la válvula de control estas pueden ser empleadas para cerrar. Del mismo modo una línea by-pass puede permitir la operación alterna de la válvula cuando se necesite abrir. Sin embargo, empleando la misma válvula de control es posible abrir o cerrar la línea completamente sin emplear las otras válvulas de la línea principal. Las operaciones siguientes se realizan en el circuito piloto. Cerrar: Para cerrar la válvula de control basta cerrar la válvula de corte de aguas abajo de modo que la cámara de control se presurice. Lo que ocurre es que se comunica la línea de aguas arriba directamente a la cámara de control. Abrir: Para abrir la válvula de control se debe despresurizar la cámara de control, primero se debe cerrar la válvula de corte de aguas arriba manteniendo abierta la de aguas abajo. Si la presión de aguas abajo esta sobre el setpoint, esta operación no bastará, será necesario además abrir una válvula de alivio que se incluye la mayoría de las veces y que descarga hacia el ambiente. Al efectuar esta operación es aconsejable cerrar la válvula de corte de aguas abajo también.

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Problemas y su Solución. Válvula no abre:

Presión de entrada insuficiente Caudal inferior al mínimo Válvula de corte aguas abajo cerrada Piloto o línea piloto de aguas abajo obstruida Resorte del piloto en mal estado Guía del resorte del piloto fuera de su lugar Disco de la válvula CV dañado, corroído o incrustado Válvula no cierra:

Algún material extraño obstruye el cierre del obturador sobre el asiento Diafragma roto

Filtro obstruido Válvula CV muy cerrada u obstruida

Válvula de corte de aguas arriba cerrada Restrictor obstruida Válvula de control obstruida

Flujo Pulsante o Vibración Caudal bajo el mínimo permitido para la válvula

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6. Funciones Discretas

En el capitulo 4 se explica el principio de apertura y cierre a partir de las funciones mas simples que se pueden conseguir con una válvula cuales son obturar completamente el paso del fluido o permitirlo a un porcentaje máximo que normalmente se alcanza al final del recorrido del obturador. Este modo de operación se llama discreto, ON/OFF, ABRE/CIERRA, etc. y como se explicó en el capitulo 4 puede ser realizado manualmente. La operación manual de una válvula hidráulica presente varias ventajes en relación a otros mecanismos como el volante de una válvula de compuerta o la palanca de una válvula mariposa:

- Comando a distancia: Basta alargar las líneas del circuito piloto hasta el lugar en que se requiera poner el comando. No se requieren varillas de alargamiento o mecanismos complicados para cambiar de dirección.

- Comando accionado con muy poco esfuerzo, independiente del tamaño de la válvula: Basta girar una pequeña válvula de bola para operar la válvula de control hidráulico

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- Regulación de la velocidad de apertura y cierre: Dado que el comando de apertura y cierre consiste en mover una válvula de bola, es importante tener en cuenta que para regular la velocidad de cierre y apertura basta con disponer de válvulas de aguja que limiten el caudal que entra o sale de la cámara de control.

O cuando se quiere realizar una operación rápida en una válvula de gran diámetro se debe seleccionar adecuadamente el diámetro de las líneas piloto e incluso emplear sobre estas lineas, otras válvulas hidráulicas mas pequeñas que cumplan la función de relés hidráulicos.

De este modo la apertura o cierre puede ser tan rápida o lenta como se quiera.

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La primera de las funciones discretas como ya se dijo es la apertura/cierre manual que suele implementarse mediante una válvula de bola de tres vías: ON/OFF manual

La extensión lógica de esta función, cuando se requiere integrar la válvula a un sistema controlado electrónicamente es empleando una solenoide 3/2 en vez de la válvula de bola manual: ON/OFF eléctrica

Y por supuesto no nos olvidamos de usar los relés hidráulicos y válvulas de aguja cuando corresponda, para esta misma válvula solenoide:

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Ambas funciones, no contienen en si mismas un sistema de control. Por lo tanto, sus respuestas dependerán del control de una persona o de un sistema de control electrónico. Un sistema electrónico puede ser tan complejo como un PLC o una compleja red de control a distancia, o tan simple como un switch de nivel eléctrico. Por supuesto que para controlar el nivel de un estanque existen alternativas de control totalmente hidráulicas. Esta es la alternativa para control discreto de nivel: Nivel ON/OFF: El piloto flotador es una válvula de tres vías accionada por el nivel del estanque mediante un flotador que se desplaza verticalmente. Este piloto flotador puede ser colocado en la válvula como se muestra en el dibujo anterior, lo que obliga a colocar la válvula dentro del estanque:

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O puede colocarse fuera del estanque, dejando solamente el flotador en el estanque. De esta forma se facilita el acceso a la válvula para su mantención, operación manual o simplemente para chequear su operación:

Un detalle importante que debe ser chequeado para asegurar la factibilidad del empleo de una válvula de control hidráulico como flotador en este caso es que la

presión aguas arriba de la válvula de control en psi, sea mayor que la diferencia

de cota entre la válvula y el nivel máximo del estanque en pies:

P(psi)>H(pies)

Para diámetros superiores a 200 mm es necesario emplear relés hidráulicos y válvulas de aguja para ajustar la velocidad de operación:

En este caso las líneas piloto hasta el flotador son 3 y no 2 como se usa en diámetros menores.

H (pies)

P (psi)

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Para controlar nivel en un estanque es la válvula altimétrica. Es una válvula cuyo piloto es una válvula de 3 vías accionada por el nivel piezoestático del estanque contra un resorte cuya tensión variable equilibra el cierre del piloto: Altimétrica

Observe la presencia de válvulas de aguja para regular la velocidad de apertura y/o cierre de la válvula de control

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7. Funciones Modulantes

El capítulo 5 continúa demostrando la operación de la válvula, pero ahora considerando lo que ocurre cuando los circuitos que alimentan y evacuan la cámara están habilitados, ambos. En este caso lo que ocurre es que el equilibrio dinámico entre el coeficiente de descarga del circuito piloto de aguas arriba y el de aguas abajo, determina la presión que actúa en la cámara superior de la válvula de control. Esta presión, la presión en el cuerpo y la tensión del resorte determinan la posición del obturador. Convencionalmente el coeficiente de descarga o la resistencia del circuito de aguas arriba es fijo, es decir esta restringido (fijo), en tanto el de coeficiente de descarga del circuito de aguas abajo es variado por un mecanismo de control o piloto hidráulico, es decir es regulado (variable). Esto nos permite razonar de un modo simplificado que el comportamiento de la válvula de control hidráulico modulante esta determinado por la manera en que se alimenta mediante una línea restringida la cámara de control y se descarga mediante una línea regulada. No es taxativo este planteamiento, de hecho las aplicaciones más ingeniosas transgreden esta convención. Lo cierto es que la mayoría de las aplicaciones existentes eligen “pilotear” el circuito de control por la línea de aguas abajo y no por la de aguas arriba. Por lo tanto es común que en la línea de aguas arriba encontremos como único elemento de control un restrictor fijo o una válvula de aguja que preferentemente se mantiene fija.

Alimentación restringida

Descarga regulada

Restrictor

Piloto

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La primera de las funciones modulantes que hemos visto tiene un piloto hidráulico normal abierto y es la reductora o limitadora de presión: Reductora de Presión También podría ser una de las primeras, por su simplicidad, la válvula de nivel flotador modulante. Cuyo pilotaje es una mecanismo de válvula de globo, aguja o disco asociada a un brazo en cuyo extremo opuesto se coloca una boya: Flotador Modulante Normalmente esta válvula se monta fuera del estanque:

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Para esta aplicación La diferencia entre la válvula flotador modulante y la ON/OFF es básicamente la que se tiene entre un control ON/OFF y uno modulante en general: Control ON/OFF Control Modulante Cuando el nivel es controlado por una válvula ON/OFF el estanque se llena con la válvula totalmente abierta. Se cierra totalmente cuando el nivel llega al máximo. Se mantiene cerrada mientras el estanque se vacía hasta llegar al nivel mínimo, luego vuelve a abrirse totalmente. Podría decirse que la válvula ON/OFF es una válvula de refilling o rellenado. Cuando el nivel es controlado por una válvula modulante, si se ha especificado correctamente, el caudal que pasa por esta en estado estacionario es igual al de vaciado del estanque de modo que el nivel se mantiene constante. Las variaciones transientes del caudal de vaciado producen variaciones en el nivel del estanque, estas variaciones hacen que se modifique la apertura de la válvula. Se abre más la válvula para aumentar la alimentación, cuando el nivel está bajo la consigna de nivel. Por el contrario, cuando el nivel está sobre la consigna, la válvula se cierra para que el caudal alimentado disminuya. Se puede decir que la válvula de nivel modulante mantiene el nivel del estanque. Un elemento que es interesante destacar en esta aplicación es que el restrictor ha sido reemplazado por un eyector, una pieza que viene ha ser una mejora. Aunque se vea muy parecido, el eyector no sólo produce una caída de la presión de aguas arriba, además, aprovechando el aumento de velocidad local a la salida de la restricción genera una caída de presión adicional (efecto Venturi). Esto ocurre cuando el regulador esta totalmente abierto, en esta situación el eyector “succiona” el agua de la cámara de control, de manera que se mejora significativamente la apertura de la válvula de control.

Nivel

Máximo

Mínimo

Tiempo

Nivel

Tiempo

Aumenta la Alimentación (válvula más abierta)

Disminuye la Alimentación (válvula más cerrada)

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Otra aplicación piloteada es la sostenedora o aliviadora de presión. Por sus dos denominaciones, algunos piensan que se trata de dos válvulas de control distintas. Sin embargo, se trata de la misma configuración del pilotaje y por lo tanto la misma función. En este caso el piloto es un piloto normal cerrado. El piloto se mantiene cerrado en tanto la presión que trae la línea sensora por debajo de la membrana del piloto, no supere la tensión del resorte. Cuando esto ocurre el obturador del piloto se desplaza permitiendo el paso del fluido. El piloto sostenedor tiene un diámetro de ½” y al descargar la cámara de control hace que la válvula de control se abrá. Su línea sensora transmite la presión desde aguas arriba. Piloto Sostenedor

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Cuando la presión de aguas arriba supera el set-point la válvula de control se abre para hacer que disminuya nuevamente (función aliviadora de presión). La válvula de control se abre tanto como se necesite para restituir la presión aguas arriba seteada, pero se cierra si la presión es inferior a la seteada (función sostenedora). La primera función, alivio o relief, es apropiada cuando se requiere limitar a un valor máximo la presión de un sistema, para ello se debe colocar en derivación. La segunda función, sostenedora, es apropiada cuando se requiere permitir el paso de un fluido por una conducción en tanto no se disminuya la presión aguas arriba. Sostenedora/Alivio

Como Alivio (Relief) Como Sostenedora

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El piloto reductor sensa la presión aguas abajo en el mismo cuerpo del piloto, en tanto el piloto sostenedor en una cámara separada que se alimenta mediante una línea sensora. El piloto diferencial que se utiliza en la válvula de control de caudal es un piloto normal abierto, como el reductor. En este caso la membrana está entre dos cámaras, la inferior sensa la presión aguas arriba de una placa orificio y la otra en la toma de presión del orifico de la placa. Este diferencial de presión equilibra la tensión del resorte. Un diferencial sobre el seteado en el resorte hace que la válvula permita el paso de fluido y uno menor hace que se cierre. Piloto Diferencial

El diferencial al cual reacciona el piloto es el que se produce en una placa orifico. Por lo tanto el caudal que pasa por la placa orificio que es proporcional a la raíz cuadrada del diferencial, es la variable que la válvula de control regula. Válvula Control Caudal

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8. Funciones Múltiples

Como se concluye en el tema válvulas de control hidráulico un ECF flexible, las posibilidades de diseño de las válvulas hidráulicas son ilimitadas. El siguiente es un resumen de las configuraciones compatibles más usuales.

Función Reductora Sostenedora. El concepto general que se debe tener claro sobre cualquier configuración es que restringiendo la línea piloto de aguas arriba se abre la válvula de control y restringiendo la de aguas abajo se cierra la válvula principal. Con este concepto se coloca un piloto normal abierto en la línea piloto aguas abajo que de acuerdo a la presión que sensa aguas debajo de la válvula de control cierra se cerrará la válvula de control para disminuir la presión aguas abajo. Este mismo inspira la idea de la función sostenedora de presión, que evita que la presión aguas arriba baje de un mínimo. Al esquema de la reductora se agrega un piloto normal cerrado en la línea piloto de aguas abajo, pero antes del piloto normal abierto. Fig. 7.1.

El orden de los pilotos da origen a la prioridad de las funciones, la función reductora mantendrá estable la presión de aguas abajo en tanto la presión de aguas arriba permanezca sobre un mínimo. Si algún consumo aguas arriba obligara a operar el piloto normal cerrado cabe la posibilidad que aguas abajo la presión diminuya. La calibración de la válvula es similar al de la reductora. Ambos pilotos sin tensión sobre el resorte. Primero se calibra la función reductora. Posteriormente, se disminuye la presión aguas arriba de la válvula de control con la válvula de aislamiento hasta un valor inferior al mínimo que se desea establecer para aguas arriba. Luego, se gira en el sentido de las manillas del reloj el tornillo sobre el piloto normal cerrado hasta lograr el valor mínimo deseado en el manómetro aguas

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arriba. No se debe olvidar restituir a la posición abierta la válvula de aislamiento y fijar la contratuerca del piloto.

Función Reductora de Doble Consigna Una aplicación ingeniosa permite que la presión aguas debajo de la válvula de control pueda alternar entre dos valores estables. Normalmente para mantener un valor alto en el día y uno bajo en la noche, debido a que el consumo nocturno por lo general es inferior al diurno con el consiguiente aumento de presión en la noche. En el esquema clásico de la reductora se introduce una línea en paralelo al piloto normal abierto en la que se introduce un segundo piloto reductor. Además, se introduce en esta línea una válvula de solenoide para comandar eléctricamente la conmutación entre los dos setpoints. El piloto que está en la línea sin solenoide debe ser seteado a una presión inferior a la del otro piloto de modo que cuando el solenoide abre la rama dominante es la rama del piloto seteado a menor presión: Fig. 7.2.

Normalmente el solenoide es asociado a un sistema de control electrónico que alimenta la bobina del solenoide a una cierta hora y la desenergiza a otra para alternar entre dos setpoints.

valvulas control hidraulico

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