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Aspectos teórico-prácticos en el diseño y selección de las válvulas hidráulicas
Santiago Singla Font
Ingeniero Agrónomo - Postgrado en Ingeniería hidráulica
Product Manager de Regaber e Hidroglobal y Consultor técnico Dorot Control Valves
Introducción Esta ponencia está relacionada con la presentada en este mismo marco en noviembre de 2010: “Válvulas hidráulicas automáticas en redes de transporte y distribución de agua. Principio de funcionamiento, criterios de diseño y tendencia en sus aplicaciones”. En la ponencia del año pasado intentamos transmitir conceptos generales sobre el principio de funcionamiento de estos dispositivos, sobre su diseño, así como dar una visión general sobre sus aplicaciones. Esta vez, nuestro objetivo es profundizar más sobre algunos aspectos en la parte del diseño, abordando tanto la parte práctica como la teórica. Desarrollaremos especialmente el fenómeno de la cavitación que es la causa principal de daños en válvulas hidráulicas automáticas de regulación.
Cuando hablamos de diseño pueden considerarse dos vertientes:
El diseño por parte del fabricante que trata de conseguir una serie de objetivos en el rendimiento de la válvula (resistencia a la cavitación, mínimas necesidades de mantenimiento, hidrodinámica, cantidad y resistencia de materiales, precisión y estabilidad en la regulación, etc.).
El diseño o selección de la válvula hidráulica por parte del ingeniero proyectista o de explotación que tiene a cargo todo el sistema y para quién la válvula es un elemento de control y seguridad dentro del sistema que le ocupa.
Ambas vertientes son extensas así que trataremos de orientar la ponencia al segundo campo que probablemente sea de mayor utilidad a los participantes de estos cursos. En cualquier caso, ambas vertientes están relacionadas ya que el tanto el fabricante como el proyectista se basan en los mismos principios para abordar sus respectivos objetivos.
Recordemos que la palabra válvula viene del latín valva, que significa puerta. Las válvulas son dispositivos mecánicos con los cuales se puede detener, liberar o regular la circulación de líquidos o gases mediante una pieza móvil que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios.
Cuando hablamos de diseño y selección de válvulas debemos ser conscientes de que es un campo con una larga trayectoria.
Ya los romanos, hace 2000 años empezaron a utilizar válvulas para controlar sus sistemas de transporte de agua, aunque es durante la revolución industrial donde el desarrollo de estos dispositivos empieza a avanzar de forma muy rápida.
Si bien las válvulas son elementos utilizados desde la antigüedad, los avances científicos y tecnológicos han permitido optimizarlas en muchos aspectos:
Haciendo posible su autonomía energética y permitiendo su automatización. La aparición de los motores eléctricos, actuadores neumáticos y sobre todo las válvulas hidráulicas que utilizan la propia energía de la red para operar permiten el control automático y/o remoto sin necesidad de accionamientos manuales.
Haciendo posible su integración en sistemas de telecontrol. Los controladores electrónicos permiten gobernar válvulas hidráulicas de regulación sin necesidad de energía local y con una flexibilidad en funciones prácticamente ilimitada.
Mejorando su resistencia a la cavitación (principal causa de problemas en válvulas de regulación). Existen actualmente modelos resistentes a ratios de regulación extremos (20:1).
Aumentando su fiabilidad. Las válvulas diseñadas en los últimos años garantizan un funcionamiento fiable a largo plazo eliminando elementos que puedan desgastarse y que obliguen a realizar mantenimientos periódicos.
Sofisticando sus funciones. Actualmente se puede resolver con válvulas hidráulicas cualquier requerimiento de función en una red presurizada.
Optimizando y mejorando los materiales para obtener válvulas más ligeras y manejables. Mejorar su comportamiento hidrodinámico. Las válvulas más modernas presentan unas pérdidas
de carga muy bajas cuando estas abren totalmente. Mejorando su rendimiento mediante simulaciones y previendo su comportamiento.
Válvula romana siglo I Válvula del siglo XIX
Válvulas de última generación
Aspectos fundamentales a la hora de diseñar soluciones con válvulas hidráulicas Centrándonos ahora en el dimensionado o selección del modelo, diámetro y sistema de control más adecuado para cada necesidad. Algunos de ellos los desarrollaremos con más detalle en los siguientes apartados pero podemos considerar como claves los siguientes aspectos.
Fluido a conducir
Velocidades máximas admisibles
o En operación continua de la válvula (válvulas que se instalan en línea). o En operación discontinua de la válvula (válvulas de seguridad que se instalan en
derivación a la conducción principal).
Presiones máximas y mínimas de operación
o Mínimas para la apertura o Máximas por la resistencia de los materiales de la válvula
Pérdidas de carga máximas admisibles
o Presiones max/min – Caudales max/min o Presiones objetivo
Velocidad de reacción. Dependiendo de la función a realizar podemos necesitar un cierre muy lento y progresivo –por ejemplo para evitar el golpe de ariete– o bien una reacción muy rápida para que la válvula compense cambios bruscos del sistema.
Precisión en la consigna. Es importante en algunas aplicaciones que las válvulas sean muy precisas ya una desviación de 0,1 bar puede suponer pérdidas considerables (por ejemplo en gestión de fugas en redes llanas).
Facilidad de mantenimiento. Es muy recomendable que la válvula no deba desmontarse de la tubería para poder realizar mantenimientos preventivos o bien inspecciones visuales de rutina.
Necesidades de mantenimiento. Es importante que la válvula está diseñada sin juntas intermedias que provoquen su desgaste durante el movimiento del obturador. Esto obligaría a mantenimientos periódicos que pueden ser muy costosos por el corte del suministro, horas de operario, etc.
Selección adecuada del sistema de control. Si la función a desarrollar está directamente relacionada con la presión (caudal, nivel estático, presiones aguas arriba o aguas abajo) habitualmente seleccionaremos sistemas de control en base a pilotos hidromecánicos. Si por el contrario la función requerida implica cambios de consigna, control de parámetros no hidráulicos (tiempo, salinidad, temperatura, etc.) entonces nos decantaremos por controles electrónicos.
Resistencia a la cavitación. Este punto lo desarrollaremos extensamente más adelante.
Desarrollando algunos de los aspectos fundamentales
Resistencia a los líquidos corrosivos
Las válvulas hidráulicas pueden utilizarse en gran variedad de fluidos como por ejemplo agua de mar, soluciones ácidas, fertilizantes, agua residual, etc. aunque mayormente están instaladas en redes de riego y de abastecimiento. Deben tenerse en cuenta que los materiales sean resistentes a estos fluidos y que el modelo seleccionado sea adecuado para trabajar con fluidos con alto contenido en sólidos en suspensión si es el caso.
Válvula revestida internamente con elastómeros. El fluido no tiene contacto con la fundición. Fig 1.- El sistema de control utiliza aire para regular la cámara de control evitando así el alto riesgo de obstrucciones en caso de
conducir agua residual
Si el contenido en sólidos en suspensión es muy alto suele ser necesario aislar el circuito de control para evitar obstrucciones en el circuito de control.
Velocidades y pérdidas de carga admisibles para el sistema
Unos de los primeros criterios a tener en cuenta es el caudal máximo y mínimo que circulará por la válvula de regulación. Cada fabricante recomienda una velocidad máxima según sea una válvula instalada en línea –funciones de control y regulación- o bien instalada en derivación – funciones generalmente de seguridad-. Este caudal máximo será aquel que no genere daños por erosión en la válvula en el largo plazo.
Veamos aquí un ejemplo de velocidades máximas de un fabricante
Caracterización hidráulica de las válvulas S300 de Dorot/Regaber.
Vemos en el cuadro como las velocidades máximas en aplicaciones donde la válvula opera permanentemente -aplicaciones en línea- es de 5,5 m/s y que para funciones intermitentes -en derivación- el caudal es de 15 m/s.
No obstante puede que el criterio de dimensionado respecto al caudal máximo no lo marque el límite de resistencia a la velocidad de la válvula sino la pérdida de carga máxima admisible.
Pongamos por ejemplo una válvula anti rotura o también llamada de sobre velocidad en un sistema de trasvase entre dos depósitos por gravedad. La válvula deberá permanecer abierta a menos que haya una rotura de la tubería (alto caudal) donde la válvula deberá cerrar completamente para evitar el vaciado del depósito de cabecera o una inundación. En este caso es posible que no nos convenga tener una pérdida de carga demasiado alta en la válvula (que normalmente debe estar abierta) para no restar capacidad de transporte al sistema. En este caso seleccionaremos un diámetro que no tenga una pérdida de carga superior a pongamos 3 mca en el caudal normal de trasvase.
Para determinar la pérdida de carga de cada diámetro utilizaremos el valor de Kv que debe facilitar el fabricante.
La Kv puede interpretarse como el caudal que circula por la válvula totalmente abierta provocando una pérdida de carga = 1 bar y es el coeficiente que nos da la capacidad hidráulica del elemento.
Supongamos por ejemplo que el caudal normal circulante es de 400 l/s (1440 m3/h). La Kv de la válvula del cuadro anterior es Kv= 3300 para DN 500 mm.
0,19 bar = 1.9 mca
Probamos con DN 400 mm (Kv= 3000)
0,23 bar = 2.3 mca
Seleccionaríamos siguiendo este criterio y estas hipótesis una válvula DN 400 mm para el caudal de 400 l/s y función anti rotura (la válvula DN 350 daría una pdc superior a 3 mca).
Presiones de trabajo
Las presiones de trabajo son importantes a la hora de determinar el modelo a seleccionar. Es importante tanto la presión mínima que determinará el uso o no de válvulas para baja presión (unos 0,2 bar) como la presión máxima de trabajo (estática o dinámica según el sistema) que determinará la presión de resistencia de la válvula.
Cavitación
Tal como ya hemos comentado anteriormente, la cavitación es el fenómeno más importante en cuanto a daños en las válvulas de regulación. Podemos definir la cavitación como la formación de burbujas o bolsas de vapor dentro de la matriz de agua del líquido.
Comparándolo con un fenómeno más conocido como es la ebullición, que es causada o bien por la transmisión de calor o por un descenso de la presión estática del líquido, la cavitación es una vaporización local inducida por una reducción dinámica de la presión.
Para que se produzca cavitación, la presión en el punto de formación de estas burbujas debe caer por debajo de la tensión de vapor del fluido en cuestión (cuando estamos hablando de agua nos referiremos a la presión de vapor Pv). Para el agua fría la presión de vapor es de aproximadamente 20 cm por encima del 0 absoluto (-0,8 bar presión relativa).
Comparación entre el fenómeno de la cavitación y el de la ebullición
Las regiones de depresión y de la consecuente generación de vapor existen como consecuencia de la aceleración del fluido por estrangulación de la sección de paso. La conversión de energía de presión en energía cinética provoca esta depresión.
Las consecuencias la cavitación pueden ser pérdidas de sólidos en las superficies límites (llamadas erosiones por cavitación o en inglés Pitting), ruidos generados sobre un ancho espectro de frecuencias, vibraciones, que en cualquier caso -para las válvulas- pueden considerarse perjudiciales. Como veremos más adelante hay diferentes grados de cavitación y cada válvula tiene una frontera entre el nivel aceptable y no aceptable cavitación.
Efectos de la cavitación
+ Los daños por cavitación suelen ser irreversibles
La cavitación puede dividirse en el proceso de formación de burbujas y de la implosión de las mismas:
Esquema de las fases existentes en la cavitación
La energía total del fluido que circula por un conducto a presión tiene una energía constante (Ley de Bernouilli):
P1/r + v12/2g + Z1 = Ps/r + vs2/2g + Zs = P2/r + v22/2g + Z2 + Δh
Cuando el flujo pasa a través del asiento (lugar de menor sección) hay un aumento significativo de la velocidad del flujo. Se produce un cambio de energía de presión (disminución de la presión en este punto P1>P2>Ps) a energía cinética (V1=V2<Vs). Si la presión en el asiento alcanza valores inferiores a la presión de vapor se genera vapor de agua en el asiento.
En el depósito del esquema vemos como la energía almacenada es energía potencial. Cuando se produce circulación de agua esta energía potencial pasa a energía cinética (velocidad), presión y pérdidas.
Balance de energía
Cuando el fluido atraviesa la válvula reguladora se produce pues una reducción de la sección de paso (vena contrata). En este punto se produce un trasvase de energía de presión a energía cinética. En este punto es también donde se producen mayores pérdidas debidas a la turbulencia y a la fricción a alta velocidad. Dado que la energía total se mantiene constante, nos encontramos ante una caída brusca de la presión en el asiento.
Velocidades en el paso por válvula Presiones en la válvula
Si esta presión alcanza la presión de vapor es cuando se produce el fenómeno de la cavitación:
A fin de producir una cavidad en el agua (de ahí el nombre de cavitación) las moléculas deben separarse. Esto se produce cuando el agua soporta un esfuerzo de tracción. La resistencia a la tracción del agua marca la facilidad para que se formen estas burbujas.
La siguiente figura muestra la resistencia a la tracción del agua:
Resistencia teórica al la tracción del agua pura
En realidad esta resistencia no se hace efectiva en los sistemas de transporte de agua. De lo contrario se necesitarían presiones de aprox. 100 000 veces más bajas que la presión de vapor para que se produjeran las cavidades. Nuestra experiencia nos demuestra que esto no es así y este hecho se explica por los llamados núcleos de cavitación.
Estos núcleos son pequeñas burbujas transportadas en el agua o adheridas en juntas en pequeñas partículas en suspensión. Estos núcleos, al pasar por el asiento de la válvula y entrar en zona de presiones bajas se expanden y si la presión alcanza la presión de vapor entonces se produce el cambio de fase en el agua.
Es por esta razón por la cual la presencia de aire en el agua es un factor importante para que se produzca cavitación. En general un contenido muy bajo de aire en el agua ayuda a que no aparezca la cavitación por la ausencia de núcleos. A medida que aumenta el contenido aumentan las posibilidades de cavitación hasta que el contenido en aire es tan alto (punto de saturación del fluido) que el aire actúa como amortiguador de las implosiones.
Cuando las burbujas de vapor son arrastradas a zonas de mayor presión, dichas burbujas implotan. El agua que rodea las paredes de las burbujas golpea las paredes u otras partes del fluido. Este fenómeno se ha estudiado ampliamente y se ha determinado que las burbujas no colapsan de forma concéntrica sino que se forma un micro chorro tal como se aprecia en la siguiente figura.
Esquema del colapso de una burbuja y de la consiguiente formación del micro chorro
Dado que este fenómeno puede causar graves daños a la válvula, resulta de vital importancia determinar qué condiciones hidráulicas son soportables para cada modelo de válvula.
El límite de regulación de presión viene determinado por el Coeficiente de cavitación destructiva que podemos expresar de la siguiente forma:
21
1
PP
PP
v
cσ
Comportamiento de las presiones y velocidades al paso de una válvula de regulación
Para la serie 300 de Dorot/Regaber el valor es de 1,45. Este valor del coeficiente es específico para la serie 300 y cada fabricante debe suministrar este valor máximo de resistencia determinado en laboratorios especializados. Si las válvulas trabajan en coeficientes de cavitación menores, estas sufrirán daños irreversibles a corto plazo.
La recuperación de la presión genera la implosión del vapor. Si estas implosiones se producen en el cuerpo de la válvula puede producirse el daño en el elemento.
Si bien ya hemos comentado que el contenido de aire en el fluido puede afectar considerablemente la aparición de la cavitación destructiva, la fórmula que se suele utilizar para prever el daño no considera este factor y en contraposición se añaden factores de seguridad al coeficiente límite de la válvula.
Cuando las condiciones de regulación generan esta situación deben seleccionarse modelos con índices de cavitación destructiva muy bajos (alta resistencia a la cavitación).
Válvula tipo Howell Bunger Dibujo de una válvula Howell Bunger
Generalmente son válvulas que direccionan la implosión de vapor al centro de la vena líquida o bien contra materiales altamente resistentes. El problema de las válvulas que conducen la implosión al centro de la tubería es que el acceso al interior de la válvula resulta complicado y poco práctico en redes presurizadas y se suelen usar solamente en descargas de presa.
Es más común en redes presurizadas una solución como la S300 anti cavitación de Dorot/Regaber donde la cavitación de produce en el interior de un cilindro de acero inoxidable; el material del cilindro es muy resistente a la cavitación y no presenta daños en las condiciones mencionadas anteriormente pudiendo regular en ratios de 20:1 (P1, 20 veces superior a P2 o Sigma= 1,1).
Esquema de una válvula con dispositivo anti cavitación
Realizando una aproximación práctica al problema veamos un par de ejemplos prácticos en los que debemos tener en cuenta la cavitación para seleccionar el modelo adecuado.
Supongamos que necesitamos reducir la presión en un sector de agua potable a 2 bar teniendo en cuenta que la presión a la entrada del sector puede oscilar entre 5 y 8 bar según la demanda total del sistema. En este caso tomaríamos el valor más desfavorable:
Presión entrada 8 bares y presión salida 2 bares para comprobar si la válvula puede o no estar en riego.
Calculamos Sigma: 47.1)6/())8.0(8(PP
PP
21
1
v
cσ
O bien utilizamos las herramientas que suelen facilitar los fabricantes:
En este caso podríamos colocar una válvula S300 estándar ya que tiene una sigma de cavitación destructiva inferior a 1,47.
Ahora pasemos a un caso muy habitual en las redes de transporte de agua: una impulsión hacia varios depósitos. Es habitual en estos casos que las válvulas de control de nivel de los depósitos incorporen la función sostenedora de presión para garantizar unos caudales mínimos de llenado en caso de que todos los depósitos se llenen de forma simultánea. En estos casos es muy probable que haya riesgo de cavitación ya que la presión de salida de la válvula es muy baja (altura del nivel del depósito).
Ejemplo de impulsión a varios depósitos
Detalle de la llegada a uno de los depósitos
En el ejemplo simulado en Epanet la válvula de control de nivel y sostenedora de presión debe trabajar con una presión de entrada de 30 mca y salida 3 mca.
En este caso la válvula estándar sufriría daños irreversibles a corto plazo y por tanto hay que o bien utilizar una contrapresión a la salida (que limitaría la capacidad máxima de entrega del depósito) o bien utilizar un modelo anti cavitación que tenga un índice de cavitación destructiva inferior a 1,44.
Referencias
HYDRAULICS OF PIPELINES. PUMPS, VALVES, CAVITATION, TRANSIENTS. J. Paul Tullis.
PRESSURE LOSS AND CAVITATION OF A 6 INCH DOROT, DIAPHRAGM ACTIVATED, DISC SEAL GLOBE VALVE by William Rahmeyer Professor of Civil and Environmental Engineering Utah State University.
CAVITACIÓN. Ariel R. Marchegiani. Universidad del Comahue.
HIDRÁULICA PARA INGENIEROS. Domingo Escribá Bonafé.
HIDRÁULICA PRÁCTICA. Simon.