valvulas-cavitación-golpe de ariete

MERCEDES V I L LA ACHUPA L LA S

MECÁNICA DE FLUIDOS

VÁLVULAS

VÁLVULAS

• Las válvulas son elementos que juegan un papel importante en el funcionamiento de la instalación.

• Misión: controlar el funcionamiento de la instalación

• Aislar tramos de la instalación.

• Regular caudales y presiones.

• Proteger a la instalación de sobrepresiones y/o subpresiones.

TIPOS DE VÁLVULAS

Desde el punto de vista de su accionamiento:

• Manuales

• ð Válvulas de esfera: El dispositivo quepermite la apertura y el cierre es unaesfera, pudiendo adoptar posicionesintermedias para una apertura parcial. Seemplean en tuberías de pequeñodiámetro.

• ð Válvulas de asiento: El elemento decierre es un disco que se asienta sobre elcuerpo de la válvula.

• ð Válvulas de mariposa: El elemento decierre es un disco giratorio que puede seraccionado mediante una palanca o untornillo sinfín.

TIPOS DE VÁLVULAS

• ð Válvulas de compuerta: La válvula secierra mediante una compuertaaccionada mediante un volante.

• Automáticas

• ð Válvulas hidráulicas: Se accionanhidráulicamente, pudiendo ser de dostipos: normalmente abiertas ynormalmente cerradas.

• ð Electroválvulas: Se accionan de formaeléctrica, y son típicas de instalacionesautomatizadas en las que el riego seprograma por tiempos.

TIPOS DE VÁLVULAS

• Desde el punto de vista de la función querealizan:

• ð Válvulas de regulación o llave de paso.Son unidades que permiten estrangular ointerrumpir el paso de una corrientelíquida.

• Un hidrante es, en definitiva, una válvulade regulación que permite derivar aguade una tubería.

• ð Válvulas de retención: Dispositivos queconsisten en una compuerta giratoria,cuya apertura se produce al paso delíquido y su cierre es por gravedad,impidiendo el retroceso.

TIPOS DE VÁLVULAS

• Es obligado instalar válvulas de retención en puntosestratégicos de la instalación para proteger a la red delas sobrepresiones producidas por el golpe de ariete.

• También a la salida del grupo motobomba, y cuando seutiliza en el riego aguas procedentes de conduccionesurbanas, antes del punto de inyección de losfertilizantes, de manera que se impida el retroceso delflujo y la contaminación del agua.

• La válvula de pie es un caso particular de válvula deretención que se instala en la base de la tubería deaspiración para evitar su vaciado (descebado), ya quedebe estar llena de agua para su funcionamiento.

TIPOS DE VÁLVULAS

• ð Válvulas de seguridad: Dispositivos que permiten lafuga automática de un caudal líquido para evitar unincremento de presión en la tubería sobre la presiónprefijada. Básicamente constan de un elemento móvilsobre el que actúa, por un lado, la presión del agua, ysobre el otro, un resorte calibrado, de manera que laválvula se abre si es mayor la presión del agua,permitiendo la salida de una parte del caudal, lo queprovoca una disminución de la presión.

• ð Válvula reductora de presión: Es un dispositivo queproduce una pérdida de carga localizada cuando lapresión sobrepasa un valor dado. Este tipo de válvulasprotegen a la red de sobrepresiones y permiten unapresión adecuada en las derivaciones.

TIPOS DE VÁLVULAS

• ð Válvula reguladora de caudal: Impide el paso deun caudal superior al preestablecido,manteniéndolo constante en un valor prefijado.

• ð Válvulas de drenaje: Permiten desaguar lastuberías tras el riego, con lo que se evita laformación de depósitos de precipitados ymicroorganismos. Básicamente constan de unresorte que se mantiene cerrado mientras existepresión en la red.

• ð Válvula de flotador: Corta el paso de aguacuando su nivel ha alcanzado una determinadaaltura.

TIPOS DE VÁLVULAS

• ð Válvulas antidesagüe: Impiden el vaciado de latubería a través de emisores situados en puntosbajos.

• ð Ventosas: Son unas válvulas que permiten lasalida del aire que se acumula en lasconducciones de agua.

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN

• Para seleccionar una válvula de regulación

necesitaremos conocer:

• Q máx, Q mín,

• Hf, la pérdida de carga requerida, tanto para

la situación actual como para un horizonte futuro

de funcionamiento.

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN

• La válvula no debe producir una pérdida de carga excesiva

cuando se encuentra totalmente abierta.

• Debe tener una capacidad de regulación en al menos el

50% de su desplazamiento, esto es, cuando la válvula se

cierra un 50%, el caudal debe reducirse al menos un 10%.

• El caudal máximo está limitado por la condición de que el

par máximo de cierre sea inferior a la capacidad de un

operador (cierre manual) o un accionador (cierre asistido).

FENÓMENOS TRANSITORIOS

FENÓMENOS TRANSITORIOS

• Se conoce con el nombre de “transitorios” a los

fenómenos de variación de presiones en las

conducciones a presión, motivadas en

variaciones proporcionales en las velocidades.

• De aquí que los fenómenos transitorios, objeto

de nuestro estudio son:

• Cavitación y Golpe de Ariete

CAVITACIÓN

CAVITACIÓN

La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámicoque se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa agran velocidad por una arista, produciendo unadescompresión del fluido.

Ocurre que se alcanza la presión de vapor del líquido de talforma que las moléculas que lo componen cambianinmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas.

Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión eimplotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita,«aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo unaestela de gas y un rápido desgaste de la superficie que originaeste fenómeno.

ORIGEN!!!!

• Un liquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor.

• La condición de paso de líquido a vapor depende de dos parámetros:

• Temperatura

• Presión

• La cavitación es un fenómeno físico, mediante elcual un líquido, en determinadas condiciones, pasaa estado gaseoso y unos instantes después pasanuevamente a estado líquido.

IMPLOSIÓN DE UNA BURBUJA

IMPLOSIÓN DE UNA BURBUJA

CURVA DE PRESIÓN DE VAPOR

• Cuando la presióndecrece, el proceso deevaporación comienzaa una temperaturamenor.

• Ejemplo:

• A una presión de 0.02bares el agua seevapora a unatemperaturaaproximada de 18°C.

CÓMO SE ALCANZA UNA PRESIÓN DEL AGUA MENOR A LA PRESIÓN DE VAPOR??

• El agua que fluye por las tuberías está generalmente a

presión, producida por una bomba o debido a una

diferencia de alturas (proveniente de un depósito) y es

considerablemente mayor que la presión de vapor.

• Para comprender por que razón la presión del agua en

el punto de estrangulamiento de una válvula llega a ser

menor que la presión de vapor, estudiaremos el

balance de energia de el fluido.

BALANCE DE ENERGÍA EN UN FLUIDO

BALANCE DE ENERGÍA EN UN FLUIDO

CAÍDA DE PRESIÓN EN EL INTERIOR DE UNA VÁLVULA

CAÍDA DE PRESIÓN EN EL INTERIOR DE UNA VÁLVULA

• En el interior del cuerpo de una válvula de regulación,

cuando se encuentra parcialmente cerrada, la

velocidad local del flujo a su paso por el cierre puede

alcanzar valores muy elevados. El incremento de la

energía cinética del flujo en la zona del cierre de la

válvula se consigue por intercambio con la energía de

presión de modo que la presión, localmente, puede

alcanzar los valores de la presión de vapor del agua.

EFECTOS DEL FENÓMENO????

�La cavitación destruirá los sólidos de las

paredes: los metales duros, concreto,

cuarzo, metales nobles, etc.

� Ruidos y golpeteos

�Vibraciones

�Desgaste del material

CUÁNDO PUEDE GENERARSE????

• La cavitación es un fenómeno muy frecuente ensistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscosde velocidad del líquido.

• Ejemplos:• En partes móviles: En partes no móviles:

• Álabes de turbinas Estrangulamientos bruscos

• Hélices de barcos en válvulas reguladoras

CAVITACIÓN EN HÉLICES DE BARCOS

• Las hélices de un barco se mueven dentro de un fluido, las áreas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a través de los álabes.

• Cuanto más rápido se mueven los álabes menor es la presión alrededor de los mismos.

• Cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas de presión audibles y desgaste de sus hélices.

DAÑOS TÍPICOS POR CAVITACIÓN

DAÑOS POR CAVITACIÓN

GOLPE DE ARIETE

GOLPE DE ARIETE

PROCESO DE CIERRE DE UNA VÁLVULA

• El cierre instantáneo de una válvula al final de una tubería que sale de un depósito:

• 1.- No hay perturbación:

• 2.- Tiempo «0» (cero), en que la válvula queda completamente cerrada:

�.�����:

�2�

�.�����:�

�

Al finalizar la primera fase del transitorio se

encuentra una situación claramente inestable:

la presión constante en el interior del depósito

es inferior a la de la tubería, sometida a los

efectos de la sobrepresión derivada de la

detención del fluido.

�.�����:

3�2�

�.�����:2�

�

El sistema tiende a restablecer elequilibrio mediante el inicio de unretroceso del fluido hacia el depósito.

�.�����:

5�2�

�.�����:3�

�

En ausencia de pérdidas, la anulación completa de la

velocidad en las proximidades de la válvula se consigue a

cambio de una reducción del nivel de presiones en la misma

de valor ∆H.

Esta situación no se mantiene únicamente en las proximidades

de la válvula sino que se extiende hacia el resto de la

conducción hacia la válvula, depósito.

�.�����:

7�2�

��.�����:4�

�

Esta es la última fase del transitorio que seorigina de una situación energéticamentedesequilibrada en las proximidades del depósitooriginada por la onda de presión característica.

La presencia de las pérdidas hace que estos ciclos no se repitanindefinidamente, sino que progresivamente vayan amortiguándose hastaalcanzar un equilibrio.

CELERIDAD

D: Diámetro de la tubería (mm)e: Espesor de la tubería (mm)

ESQUEMA GENERAL

CASOS EN LOS QUE SE PUEDE PRODUCIR EL FENÓMENO

• Existen diversas maniobras donde se induce el fenómeno:

• Cierre y Apertura de Válvulas.

• Arranque de Bombas.

• Detención de Bombas.

• Funcionamiento inestable de bombas.

• Llenado inicial de tuberías.

• Sistemas de Protección contra Incendios.• En general, el fenómeno aparecerá cuando, por cualquiercausa, en una tubería se produzcan variaciones de velocidad y,por consiguiente, en la presión.

• Como puede observarse del listado anterior todos estosfenómenos se producen en maniobras necesarias para eladecuado manejo y operación del recurso, por lo que debemostener presente que su frecuencia es importante y no unfenómeno eventual.

PROTECCIONES CONTRA EL GOLPE DE ARIETE

EJERCICIO

Para calcular la longitud crítica necesitamos un solo valor de laceleridad y al tener en nuestra instalación tuberías con diferentesdiámetros y espesores, procedemos de la siguiente manera:

Para obtener un solo valor de celeridad hacemos una mediaponderada de la celeridad en cada tramo:

Por tanto, la Celeridad esta dada por:

Pero, para poder determinar ∆H, primero necesitamos conocer la velocidad media equivalente, que estará dada por:

El diámetro interno de la tubería esta dadopor la diferencia entre el diámetro nominaly el espesor de la tubería.

Por continuidad: Q=A.V

��� �∑�� �

∑�

Una vez definidas: V; c; se puede proceder a determinar la ∆H,

correspondiente a la diferencia de presión generada por el Golpe de

Ariete.

A continuación representamos junto con el resto de información

requerida y según nuestro perfil, unos 800 m de la conducción se

encontraría en presiones negativas y unos 338,55 m en cavitación.

Este ejercicio se realizo amano, con la ayuda deuna hoja milimitrada y laescala indicada, selogra graficar lasdiferencias de presiones.

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