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ESTUDIO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UNA VÁLVULA DE
BOLA AL GENERAR VARIACIONES EN EL ÁNGULO DE APERTURA Y EN
EL CAUDAL DE FLUJO, MEDIANTE EL USO DEL SOFTWARE DE
INGENIERÍA ANSYS.
SANTIAGO DAZA SALINAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2018
2
ESTUDIO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UNA VÁLVULA DE
BOLA AL GENERAR VARIACIONES EN EL ÁNGULO DE APERTURA Y EN
EL CAUDAL DE FLUJO, MEDIANTE EL USO DEL SOFTWARE DE
INGENIERÍA ANSYS.
SANTIAGO DAZA SALINAS
Trabajo de grado para optar por el título de Tecnólogo en Mecánica
Docente director
Yisselle Acuña Hereira, IM, MSc
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2018
3
Nota de aceptación
Docente director
Jurado
Jurado
4
5
AGRADECIMIENTOS
En primera medida, agradezco a Dios por darme vida, salud, capacidades tanto
mentales como físicas y las herramientas necesarias para poder culminar este
proyecto en el que se ha aplicado mucha dedicación y se ha invertido el tiempo
adecuado para su realización.
A mis padres Mónica del pilar Salinas Rodríguez y Jerber Enrique Daza Prieto
que gracias a su esfuerzo y dedicación diarios desde el momento en que nací
han encontrado la manera de brindarme lo mejor en cada momento de mi vida,
llenándome de valores y principios que son los que me han forjado como persona
desde mis primeros pasos y durante todo este camino que estoy afrontando.
Siempre mis padres han sido un ejemplo que seguir para mi vida, ya que son
personas que ponen la ética por delante de todo, son personas amorosas,
honestas, responsables, respetuosas y emprendedoras que no paran de luchar
para que podamos cumplir todos nuestros sueños de la mano de Dios.
A mi hermana Mariana Daza Salinas por su apoyo, amor y motivación en
cualquier momento de mi vida por siempre confiar en mí y por siempre estar a
disposición en lo que esté a su alcance para la colaboración en cada una de mis
actividades de la vida.
A Leidy Meliza Díaz Cristancho que durante el tiempo que hemos estado juntos
siempre ha sido una fuente infinita de apoyo en todos los ámbitos de mi vida y
especialmente en este proyecto ha sido fundamental para su realización por toda
su colaboración y todo su amor, ayudándome a levantar en los momentos más
difíciles y apoyándome en los éxitos conseguidos y por conseguir.
agradezco a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por darme la
oportunidad de estar en su plantel educativo y permitirme formarme personal y
profesionalmente en su institución, también a cada uno de los docentes que a lo
largo de esta carrera me han brindado sus conocimientos, experiencias y
sabiduría en los diferentes campos de la mecánica y de la vida.
Finalmente agradezco a mi directora de proyecto la Ing. Yisselle Indira Acuña
Hereira por compartir sus capacidades y amplios conocimientos en este campo
de la mecánica conmigo, por brindarme su apoyo en cada momento para la
corrección del documento y por instruirme en el mejor camino para lograr
culminar de manera adecuada cada una de las etapas de este proyecto.
6
TABLA DE CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................. 8
ÌNDICE DE TABLAS ...................................................................................................10
ÍNDICE DE ECUACIONES ..........................................................................................11
RESUMEN ...................................................................................................................12
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................13
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................14
3. JUSTIFICACIÓN DE LA PROBLEMÁTICA .........................................................15
4. OBJETIVOS .........................................................................................................16
4.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................16
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .........................................................................16
5. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................17
6. MARCO TEORICO ...............................................................................................19
6.1 VÁLVULA DE BOLA .....................................................................................19
6.2 CARACTERISTICAS DE UNA VÁLVULA DE BOLA ....................................20
6.3 ASIENTO DE UNA VÁLVULA .......................................................................21
6.4 CAIDA DE PRESIÓN.....................................................................................22
6.5 COEFICIENTE DE FLUJO PARA VALVULAS (CV) ......................................22
6.6 DINÁMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS ..............................................26
6.6.1 LA HISTORIA DEL CFD..............................................................................27
6.6.2 LA MATEMÁTICA DEL CFD .................................................................27
6.6.3 USOS DEL CFD .....................................................................................28
6.6.4 METODOLOGÍA CFD ............................................................................28
6.6.4.1 Creación de la geometría: ................................................................30
6.6.4.2 Definición de la física del modelo ....................................................30
6.6.4.3 Resolución del problema CFD. ........................................................30
6.6.4.4 Visualización de los resultados en el post procesador. .................31
6.7 DESCRIPCIÓN GENERAL DE ANSYS CFX .................................................31
6.7.1 LA ESTRUCTURA DEL CFX .................................................................31
6.7.1.1 Pre-procesamiento en el CFX...........................................................32
6.7.1.2 Solver del CFX ...................................................................................32
6.7.1.3 Asistente de solver-CFX ...................................................................32
6.7.1.4 Post-procesamiento en CFX ............................................................33
6.8 ANÁLISIS DE FLUIDODINÁMICA COMPUTACIONAL PARA VÁLVULAS
MEDIANTE ANSYS .................................................................................................33
7. MODELAMIENTO ................................................................................................35
7.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA A SOLUCIONAR .................................35
7
7.2 ESPECIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN .........................................................35
7.3 METODOLOGÍA PARA EL MODELAMIENTO EN ANSYS ...........................38
7.3.1 CREACIÓN DEL DOMINIO DE FLUIDO O VOLUMEN DE CONTROL .39
7.3.2 MALLADO AL VOLUMEN DE CONTROL .............................................46
7.3.3 DEFINICIÓN DE PARAMETROS PARA LA SOLUCIÓN EN EL
SOFTWARE .........................................................................................................51
8. ANÁLISIS Y RESULTADOS ................................................................................58
8.1 OBTENCIÓN DE RESULTADOS ..................................................................58
8.2 ANALISIS DE RESULTADOS .......................................................................63
8.2.1 ANALISIS DE LAS LINEAS DE FLUJO CON LA VARIACION DEL
ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2 m/s. ..........................................63
8.2.2 ANALISIS DEL PLANO DE PRESIÓN CON LA VARIACION DEL
ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2m/s. ...........................................67
8.2.3 CÁLCULO DE K PARA LOS ÁNGULOS TRABAJADOS CON
VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2m/s. ......................................................................75
8.2.4 GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA. .....................76
9. CONCLUSIONES .................................................................................................83
10. RECOMENDACIONES .....................................................................................84
11. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................85
8
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Conformación interna de una válvula de bola. .................................................... 19
Figura 2. Válvula de bola. ........................................................................................................ 20
Figura 3. Partes de una válvula de bola. (Imagen modificada).......................................... 21
Figura 4. Asiento de una Válvula de Bola ............................................................................. 22
Figura 5. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo versus Tamaño de la
válvula en pulgadas .................................................................................................................. 24
Figura 6. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo y de K según el porcentaje
de apertura de la válvula .......................................................................................................... 26
Figura 7. Ejemplo de modelo geométrico a parametrizar. .................................................. 28
Figura 8. Volumen de control. ................................................................................................. 29
Figura 9. Flujo en la parte interna del modelo geométrico. ................................................ 29
Figura 10: Estructura del CFX de ANSYS. ........................................................................... 32
Figura 11: Válvula de bola a analizar. .................................................................................... 36
Figura 12: Bola donde se evalúa el flujo. .............................................................................. 36
Figura 13: Geometría interna de flujo sobre la válvula. ...................................................... 36
Figura 14: Puntos de análisis del software. .......................................................................... 37
Figura 15: Entorno de Análisis de flujo de ANSYS. ............................................................. 39
Figura 16: Selección de tipo de movimiento rotación. ......................................................... 40
Figura 17: Selección de elemento a rotar. ............................................................................ 40
Figura 18: Selección de eje de rotación. ............................................................................... 41
Figura 19: Selección de rotación como parámetro. ............................................................. 41
Figura 20: Rotación del ángulo como un parámetro. .......................................................... 42
Figura 21: icono de variación de parámetros. ...................................................................... 42
Figura 22: Válvula de bola con apertura de 30º ................................................................... 43
Figura 23: Creación de superficies ......................................................................................... 43
Figura 24: Selección de área .................................................................................................. 44
Figura 25: Frontera creada ...................................................................................................... 44
Figura 26: Opción Fill ................................................................................................................ 45
Figura 27: Metodo de análisis por capas............................................................................... 45
Figura 28: Selección de cuerpos para generar el dominio del fluido ................................ 46
Figura 29: Dominio del fluido ................................................................................................... 46
Figura 30: Entorno de Mallado al dominio del fluido ........................................................... 47
Figura 31: Named selections ................................................................................................... 48
Figura 32: Entrada .................................................................................................................... 48
Figura 33: Salida ....................................................................................................................... 49
Figura 34: Pared ........................................................................................................................ 49
Figura 35: conformación de la malla ...................................................................................... 50
Figura 36: Mallado del dominio del fluido .............................................................................. 50
Figura 37: Entrada al entorno setup ....................................................................................... 51
9
Figura 38: Entorno setup .......................................................................................................... 52
Figura 39: Selección de flujo turbulento ................................................................................ 52
Figura 40: Selección de agua como fluido de estudio ......................................................... 53
Figura 41: Selección de agua para el estudio interno ......................................................... 54
Figura 42: Selección de velocidad a 3m/s............................................................................. 55
Figura 43: Selección de presión manométrica 0 Pa ............................................................ 55
Figura 44: Tipo de solución combinado ................................................................................. 56
Figura 45: Solución de tipo hibrida ......................................................................................... 56
Figura 46: comienzo del cálculo de la caída de presión ..................................................... 57
Figura 47: Entorno Solution ..................................................................................................... 58
Figura 48: Stream Line ............................................................................................................. 59
Figura 49: Creación de las líneas de flujo. ............................................................................ 59
Figura 50: Creación de plano de presión. ............................................................................. 60
Figura 51: Pantalla Expressions. ............................................................................................ 60
Figura 52: Nueva expresión. ................................................................................................... 61
Figura 53: función AreaAve. .................................................................................................... 62
Figura 54: Variable Presión ..................................................................................................... 62
Figura 55: Modelo para cálculo de caída de presión en el solver. .................................... 62
Figura 56: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con
velocidad de 1 m/s. ................................................................................................................... 64
Figura 57: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con
velocidad de 2 m/s. ................................................................................................................... 66
Figura 58: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º
con velocidad de 1 m/s. ............................................................................................................ 68
Figura 59: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º
con velocidad de 2 m/s. ............................................................................................................ 70
Figura 60 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 1 m/s. .................................................... 77
Figura 61 Grafica de Kv vs caudal a 1 m/s. .......................................................................... 77
Figura 62 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 2 m/s. .................................................... 78
Figura 63. Grafica de Kv vs caudal a 2 m/s. ......................................................................... 78
Figura 64. Relación entre Kv y en ángulo de apertura de una válvula de bola. .............. 79
Figura 65. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 1 m/s ............................ 80
Figura 66. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 2 m/s ............................ 81
Figura 67. Relación entre Kv y K en el caudal para 1 m/s.................................................. 81
Figura 68. Relación entre Kv y K en el caudal para 2 m/s.................................................. 82
10
ÌNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Ángulos de apertura en ANSYS y su equivalencia de apertura en la válvula. 38
Tabla 2: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15° y 5°con
velocidad de 1 m/s. ................................................................................................................... 71
Tabla 3: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 1
m/s. .............................................................................................................................................. 72
Tabla 4: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15°y 5°con
velocidad de 2m/s. .................................................................................................................... 73
Tabla 5: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 2
m/s. .............................................................................................................................................. 74
Tabla 6: Valor de coeficiente K para 1 m/s. .......................................................................... 75
Tabla 7: Valor de coeficiente K para 2 m/s. .......................................................................... 76
11
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Calculo del Caudal mediante el coeficiente de flujo. ..................................... 22
Ecuación 2. Calculo del parámetro K ..................................................................................... 24
Ecuación 3. Relación entre CV y K ........................................................................................ 25
Ecuación 4. Relación entre KV y K......................................................................................... 25
Ecuación 5. Valor de K en términos de Kv ............................................................................ 26
Ecuación 6. Caudal ................................................................................................................... 71
Ecuación 7. Calculo de KV ...................................................................................................... 72
12
RESUMEN
Dentro del área de la mecánica de fluidos, las válvulas son absolutamente necesarias
para la construcción de sistemas de flujo de fluidos, ya que son requeridas para el
desmontaje de tubería, regulación de caudal sobre el sistema y el mantenimiento a
bomba o turbina debido a que se impide el flujo para dicho procedimiento. A pesar de la
gran funcionalidad de este accesorio el uso de las válvulas genera pérdidas energéticas
sobre el fluido que circula por la tubería desde un punto A hasta un punto B, y por tanto
es conveniente estudiarlas para un diseño adecuado del sistema y para la aplicación de
la válvula en su mejor rendimiento.
En el presente proyecto se plantea el análisis de caída de presión debida a las perdidas
energéticas sobre una válvula de bola, para lo anterior se propone el uso de un software
de ingeniería llamado ANSYS, el cual cuenta con diferentes entornos hacia el análisis
mecánico tanto de solidos como fluidos por medio de la simulación computacional según
parámetros de entrada para la generación de un experimento acercado a la realidad que
sea capaz de comprobar la teoría al ser aplicada bajo condiciones no ideales.
Para la realización del análisis de la caída de presión sobre el accesorio se plantea
generar una simulación por medio del software ANSYS de las pérdidas que se generan
al variar el ángulo de apertura de la válvula o el caudal entrante a la misma, y de esta
manera realizar un video tutorial como registro audiovisual de lo realizado para que los
estudiantes se den una idea clara y concisa de lo realizado y la funcionalidad del
software de simulación para el ingeniero mecánico.
PALABRAS Y CONCEPTOS CLAVE
VÁLVULA DE BOLA, CFD, CFX, ANSYS, ANGULO DE APERTURA, CAUDAL DE
FLUJO, PERDIDAS ENERGETICAS
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1. INTRODUCCIÓN
La mecánica de fluidos desde sus inicios siempre ha tenido como campo de acción las
perdidas energéticas que se dan durante el flujo de un fluido desde un punto A hasta un
punto B para una aplicación específica, ya sea llevar agua de un tanque a otro para surtir
de líquido a una comunidad, para un proceso de lubricación a una máquina, para un
circuito neumático en un proceso de automatización, entre otras aplicaciones en el área
de los fluidos.
Debido a lo anterior al pasar los años la tecnología se ha vuelto un campo que se ha
ligado totalmente a la industria para facilitar el estudio de los fenómenos que se abarcan
en la ingeniería, y la ingeniería mecánica no es menos. Por tanto se ha creado software
de ingeniería para la simulación de procesos mecánicos en el área de los fluidos, en el
área de los sólidos, en la automatización, en la manufactura, en el modelado, entre otros.
Dentro del área de líquidos y gases es posible encontrar el software ANSYS, el cual
cuenta con un área de estudio llamada fluidodinámica computacional (CFD) para la
simulación de gran cantidad de procesos que son relacionados con la mecánica de
fluidos; para el caso de este proyecto se trabajara el análisis de la caída de presión sobre
una válvula de bola al generar variaciones sobre el caudal entrante y al ángulo de
apertura de la misma, ya que las válvulas son los elementos más utilizados para la
construcción de los sistemas de flujo de fluidos porque estas son las que permiten la
regulación del caudal, el desmontaje de la estructura para ubicación de nuevos
repuestos o el desmontaje de las bombas.
Para la elaboración del proyecto en primera medida se realiza un investigación acerca
de las bases teóricas requeridas para el comienzo del trabajo, luego se realiza la
simulación según los parámetros establecidos luego de la indagación previa,
posteriormente se obtienen resultados de las simulaciones realizadas por medio de
ANSYS y se encuentran las variaciones que hay en la caída de presión según las
situaciones planteadas anteriormente. Por último se genera un registro audiovisual
(video-tutorial) para dar registro de las simulaciones practicadas.
Buscando el desarrollo óptimo del proyecto se plantea una metodología que se presta
para realizar una amplia investigación de la información necesaria para el estudio de la
caída de presión sobre la válvula de bola, y además los parámetros requeridos para una
simulación totalmente acercada a la realidad que de valores que puedan determinar el
rendimiento y mejor funcionamiento del accesorio en su aplicación.
14
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad es importante el manejo de herramientas tecnológicas (software) en la
ingeniería mecánica, ya que estos elementos digitales permiten la experimentación de
fenómenos de manera simulada, es decir, acercando la teoría con la realidad, por tanto
es fundamental iniciar la realización de proyectos basados en la simulación tecnológica
que puede ofrecer un software como ANSYS para que en el futuro sea posible la
aplicación en áreas como la mecánica de fluidos de simulación computacional para
añadir al estudiante, e incluso al docente nuevas capacidades a la hora de afrontar un
problema en el área de la ingeniería.
El proyecto planteado tiene como finalidad incentivar y dar una guía a los estudiantes
acerca del uso del software de ingeniería ANSYS en el área del CFD, para que el
software de ingeniería se vuelva una herramienta tecnológica que acerque al estudiante
a la realidad laboral por medio de los entornos de simulación que maneja, mostrando
que al variar distintas condiciones de operación es posible encontrar valores muy
diferentes así se esté empleando el mismo elemento, lo anterior para que funcione como
base teórica para que en la práctica real se evidencie el mejor rendimiento de una
maquina hidráulica o de cualquier accesorio que se encuentra en un sistema en el que
se transporta un fluido con una energía que va variando durante el camino hacia su
destino, e incluso que el estudiante adquiera ciertas bases para el diseño enfocado a la
mecánica de fluidos y las pérdidas generadas sobre los accesorios.
15
3. JUSTIFICACIÓN DE LA PROBLEMÁTICA
Dentro del entorno de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas el estudio de la
mecánica de fluidos por medio de una herramienta tecnológica de simulación es un área
de la investigación que es poco explorada por estudiantes y por docentes, por tanto la
finalidad de este proyecto es que el estudiante se interese por la profundización de esta
área de estudio y por tanto que este trabajo se vuelva una base teórica o antecedente
de estudio para posteriores proyectos que se desarrollen en torno a el CFD o a la
simulación por computador de fenómenos físicos relacionados con el área de los fluidos.
En conjunto con lo mencionado anteriormente el proyecto se propone como una guía
para el estudiante de la utilización de un software de ingeniería como ANSYS, lo anterior
debido al registro de video que muestra un paso a paso en el análisis de la caída de
presión sobre un elemento constituyente de un sistema de flujo de fluidos, y que de esa
manera se tenga una idea clara acerca de la aplicabilidad de la simulación en la vida
ingenieril.
.
16
4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar la caída de presión a través de una válvula de bola al variar ángulo de apertura
y el caudal de flujo, mediante el entorno de fluidodinámica computacional que ofrece el
software ANSYS.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar los parámetros que necesita la simulación de acuerdo con las
características requeridas para el análisis.
Realizar simulaciones para distintos valores de caudal y de ángulo de
apertura.
Analizar los resultados obtenidos por medio de gráficas para determinar el
coeficiente de pérdidas que tiene la válvula en respuesta a los parámetros de
entrada puestos en la simulación.
Realizar un registro videográfico con fines académicos del modelo planteado
para observar los pasos a seguir al momento de simular por medio de
ANSYS.
17
5. ESTADO DEL ARTE
Dentro de la indagación teórica se encuentran proyectos que están ligados a la temática
que se propone a tratar con el proyecto planteado, las cuales son un antecedente de
investigación para un desarrollo óptimo del proyecto.
En la tesis titulada “Estudio de la variación de la velocidad absoluta en la descarga de
un cangilón de una rueda Pelton, variando el ángulo de descarga por medio de
elementos finitos” realizada por los estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas Joan Sebastián Hernández Silva y Juan Felipe Rodríguez Reyna se expone
el análisis de velocidad de descarga de flujo en un cangilón de una turbina Pelton
variando el ángulo de descarga por medio del CFD de ANSYS.
El proyecto comienza con el desarrollo de la parametrización sobre un modelo de
cangilón que se realiza en el software Solid Edge para una posterior simulación en el
entorno de fluidodinámica computacional que ofrece ANSYS, lo anterior para realizar la
comparación de los datos teóricos con los obtenidos de forma experimental y demostrar
que el ejercicio de la simulación es exitoso, por tanto dan el visto bueno al uso del
software ANSYS dentro del estudio de la mecánica de fluidos, obviamente luego de
adquirir las bases necesarias para entrar en la compleja área de la dinámica de fluidos
computacional por medio de los métodos numéricos. [1]
En la tesis titulada “Estudio de los efectos generados por la variación del número de
álabes y el ángulo de descarga en un rodete cerrado de entrada radial” elaborada por
los estudiantes Carlos Alberto Herrera Cabra y Andrés Camilo Puerto Aranzales
pertenecientes a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se expone el estudio
del comportamiento de una bomba centrifuga al generar cambios en valores de ángulo
de salida y numero de alabes presentes en el rodete de la misma con la finalidad de
realizar graficas enfocadas a determinar el rendimiento de la máquina según los
parámetros de entrada de la simulación realizada por medio del entorno de CFD de
ANSYS y así comparar las gráficas de rendimiento estandarizadas teóricamente y las
que se obtienen mediante la herramienta tecnológica.
La finalidad el proyecto mencionado anteriormente es volver el CFD una herramienta de
apoyo en el área de estudio de la mecánica de fluidos ya que profundizar en este campo
es realmente beneficioso para el estudiante al momento de experimentar y realizar
comparaciones entre la teoría y la realidad en el campo de la ingeniería mecánica, es
decir, que este trabajo sea una nueva base teórica para la realización de proyectos
futuros en el área de estudio de los fluidos. [2]
En la tesis titulada “Estimación numérica de las pérdidas de carga del flujo en el interior
de válvulas” realizada por el estudiante Carlos Flores Alba perteneciente a la
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) se muestra el análisis de las
pérdidas que se encuentran en el flujo de un fluido sobre las diferentes válvulas como
pueden llegar a ser las válvulas de globo, de bola, de mariposa y de compuerta mediante
el uso del CFD por un entorno llamado PHOENICS evidenciando de manera clara los
parámetros que se realizan para la simulación, la configuración de la geometría de la
18
válvula para el estudio por volúmenes finitos, los coeficientes obtenidos como resultados
mediante las simulaciones que se aplicaron y la comparación de los mismos según unas
condiciones iniciales para cada tipo de válvula, lo anterior para evidenciar el
comportamiento que tiene el flujo como la caída de la presión, la velocidad que se
maneja y la energía que lleva el fluido en circulación por cada tipo de válvula, lo anterior
para realizar una comparación entre los valores experimentales y los valores teóricos
para cada válvula y encontrar las semejanzas y las diferencias que se tiene al aplicar la
fórmula ideal y un método numérico real experimental, lo cual es importante para la
realización de este proyecto ya que se da otra opción de manejo del CFD en el área de
las válvulas y los fenómenos que ocurren en el interior de las mismas tal como se quiere
evidenciar con las variaciones a producir dentro de este documento para caracterizar las
condiciones de trabajo de la válvula de globo.[3]
En el proyecto de grado “Comparación de pérdidas de presión entre válvulas
comerciales de distinto material” realizado por Gianni Smiley Monterroso López,
perteneciente a la Universidad de San Carlos de Guatemala se hace una descripción de
las válvulas comercialmente disponibles en Guatemala, demás se señalan cuáles son el
tipo de válvulas más utilizadas por la disponibilidad comercial, ya que se pueden obtener
fácilmente en diferentes lugares y son económicas.
En siguiente medida se hace referencia a la presión máxima de trabajo que tiene cada
válvula, a la temperatura de trabajo, a las perdidas energéticas se generan sobre las
válvulas según las ecuaciones teóricas, se emplean las características ya mencionadas
para observar el comportamiento de una válvula según su material, y por último se
evidencian los resultados y comparaciones que se realizan según el material del cual se
conforma cada válvula. La importancia de ese trabajo en el proyecto a realizar es que
se plantea una base teórica a comparar con el CFD que se planteará y además se
plantean características de materiales de conformación de las válvulas que puede ser
un dato importante según los parámetros iniciales a ubicar para realizar la simulación.
[4]
En la tesis “Caracterización y modelización numérica del comportamiento de una válvula
de esfera mediante CFD con validación experimental” elaborado por Daniel Andrés Reig
de la Universidad Politécnica de Valencia se expone un análisis experimental sobre una
válvula de esfera analizando su comportamiento para ciertas condiciones de
funcionamiento. Se modelo geométricamente y numéricamente la válvula mediante la
técnica de dinámica de fluidos computacional (CFD) y posteriormente se corrobora el
modelo encontrado gracias a los resultados obtenidos en la fase experimental,
caracterizando la válvula en función de su ángulo de apertura y con variaciones en
diámetros de válvula. Lo cual es una base teórica fundamental para el trabajo a realizar
ya que se plantea el uso del CFD para el análisis de una válvula de bola y su
comportamiento para dar una caracterización a la misma. [5]
19
6. MARCO TEORICO
6.1 VÁLVULA DE BOLA
La válvula de bola es un macho de forma esférica que controla la circulación del líquido.
Este tipo de válvula es muy versátil para el manejo de fluidos y por tanto es una de las
válvulas más usadas dentro de la industria debido a que su manejo es muy sencillo
debido a que su cierre rápido de ¼ de vuelta y a que su tamaño es menor al de una
válvula de compuerta.
Las aplicaciones más frecuentes de la válvula de bola son las de apertura o cierre total.
No es recomendable usarlas parcialmente abiertas ya que, si se mantiene parcialmente
abierta, el fluido y la presión que este ejerce desgastaran partes de la válvula y en el
futuro se generaran fugas indeseables en el interior.
Las válvulas de bola, esfera o de cierre rápido, como son conocidas, dejan pasar el flujo
de manera completa, es decir, mantienen un paso estándar de fluido. Entre las
desventajas que existen con estas válvulas es la caída de presión que producen con
este paso estándar o reducido además de que su cierre rápido genera “golpes de ariete”
dentro de las líneas por lo cual hay que tomar las precauciones debidas antes de su
instalación.
Esta válvula está limitada por factores como la resistencia a temperatura y presión del
material del asiento, metálico o plástico.
Este tipo de válvula es usado en fluidos como vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos
corrosivos, pastas aguadas, además de ser empleado en materiales pulverizados secos.
[6] [7]
Figura 1. Conformación interna de una válvula de bola.
Tomado de
“https://sites.google.com/site/valvulasindustrialesiso9001/_/rsrc/1444608714896/home/valvula-
bola/Valvula%20bola.jpg?height=320&width=320”. Consultado el 2 de marzo de 2018.
20
Figura 2. Válvula de bola.
Tomado de “https://encrypted-
tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQAEdUcOZkm12hoPNjR2IPsafEEIEkt0wV-
rZxL1a7yhUFW17JV”. Consultado el 2 de marzo de 2018.
6.2 CARACTERISTICAS DE UNA VÁLVULA DE BOLA
1. Cero fugas
2. Vástago protegido: El collar de empuje del vástago previene que cualquier fuerza
anormal externa pueda empujar al vástago contra la bola. Este distintivo ayuda a que el
vástago no desplace la bola de su asiento y ocurra una fuga.
3. Vástago a prueba de explosión: El diseño utiliza collares grandes divisorios alrededor
de la base del vástago creando un diámetro mayor que el vástago y a su vez se localiza
dentro de la hendidura del cuerpo. Esto asegura que el vástago se mantenga en su lugar
en todo momento dentro del cuerpo, a diferencia de los pivotes que otros usan y que
cortan dejando que el vástago reviente fuera del cuerpo de la válvula.
4. Diseño fiable de prensaestopas: Diseño fiable del prensaestopas y el uso de resortes
Belleville provee larga duración, libre de mantenimiento, junta de la empaquetadura y
ajustado.
5. Funcionamiento de un cuarto de vuelta: Reduce el desgaste del vástago y de su
empaquetadura que se asocia con válvulas de recorrido lineal como la de compuerta y
globo, y otras de vástago ascendente. Ya que la acción es por rotación en lugar de lineal,
el vástago no se jala ni empuja a través de la empaquetadura y elimina la posibilidad
que sólidos sean arrastrados dentro del prensaestopas y dañe el empaquetado. Esta
función añade vida al vástago y empaquetado de la válvula de bola.
La rápida acción de cerrar totalmente con el cuarto de vuelta de cero fugas, hace a esta
válvula la elección ideal para cierres de emergencia y aplicaciones.
21
6. Recubrimiento de la aplicación con HVOF: La bola y el asiento son impregnados con
cromo y carburo de tungsteno con las técnicas de revestimiento de HVOF, con dureza
de superficie de Rc 68-72, y son acompañados con alto acabado de lapeado RMS (5
micro pulgadas RMS) asegurando cero fugas, y libre de mantenimiento.
7. Resorte Belleville: El resorte Belleville tiene constante fuerza para cargar la bola en el
asiento de sellado posterior, haciendo que se logre cero fugas en aplicaciones de alta y
baja presión.
8. Casquillo guía del resorte Belleville: En caso de instalación incorrecta o de flujo
inverso, el diseño evita que la bola y el asiento contra corriente se revienten. [8]
Figura 3. Partes de una válvula de bola. (Imagen modificada)
Tomado de “https://sites.google.com/site/valvulasindustrialesiso9001/home/valvula-bola”.
Consultado el 7 de marzo de 2018.
6.3 ASIENTO DE UNA VÁLVULA
Son las piezas circulares presentes en la tapa de cilindro sobre la que hace contacto la
válvula. Su función consiste en reducir el impacto y desgaste que provocaría el accionar
22
de la válvula sobre la tapa de cilindros (culata). Ante un desgaste estos asientos deben
ser reemplazados por otros nuevos. [9]
Figura 4. Asiento de una Válvula de Bola
Tomado de “http://www.repuestosintermotor.com/asientos-de-válvulas/”. Consultado el 2 de
marzo de 2018.
6.4 CAIDA DE PRESIÓN
La caída de presión se entiende como la disminución de la presión de un circuito debida
a una pérdida energética que se da por el paso del fluido en un accesorio o por la longitud
de la tubería por donde circula el fluido, por las condiciones que maneja el accesorio por
donde se fluye y demás factores que maneja un sistema de transporte de líquido o fluido.
[10]
6.5 COEFICIENTE DE FLUJO PARA VALVULAS (CV)
Un número importante de fabricantes de válvulas utilizadas para el control de líquidos,
aire y otros gases, prefieren calificar el rendimiento de su producto por medio del
coeficiente de flujo CV. Una base para este coeficiente de flujo es que una válvula con
coeficiente de 1.0 permitirá el paso de 1.0 gal/min de agua, con una caída de presión de
1.0 psi a través de ella. Es conveniente aplicar esta prueba, ya que proporciona un medio
confiable para comparar las características de rendimiento conjunto de diferentes
válvulas.
La ecuación básica de flujo del líquido es
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 (𝑄) = 𝐾 ∗ √(𝛿𝑝
𝑠𝑔)
Ecuación 1. Calculo del Caudal mediante el coeficiente de flujo.
Donde δp es la caída de presión y se calcula con Pf – Pi, ya que es la diferencia entre
las presiones entre un punto antes y uno después del paso sobre la válvula y sg es la
gravedad especifica del fluido. [10]
Conocer el coeficiente de caudal es fundamental a la hora de la selección de una válvula
que se necesita en una específica aplicación. Si la válvula va a estar la mayor parte del
tiempo abierta, posiblemente interesará elegir una válvula con poca pérdida de carga
23
para evitar pérdidas y tener un ahorro energético. O si se trata de una válvula de control,
el rango de coeficientes de caudal en las diferentes posiciones de obertura tendría de
permitir cumplir las necesidades de regulación de la aplicación.
En igualdad de flujo, contra mayor es el coeficiente de caudal, las pérdidas de carga a
través de la válvula son menores.
La industria de las válvulas ha estandarizado el coeficiente de caudal (K). Este se
referencia para agua a una determinada temperatura, y unidades de caudal y diferencia
de presión también específicas. Un mismo modelo de válvula tiene un coeficiente de
caudal (K) distinto para cada diámetro.
Este coeficiente K puede tener dos nombres según las unidades que se manejen en el
cálculo del mismo, los nombres que puede recibir el coeficiente de caudal son Kv y Cv,
así:
Kv es el coeficiente de caudal en unidades métricas. Se define como el caudal
en metros cúbicos por hora [m3/h] de agua a una temperatura de 16° celsius con
una caída de presión a través de la válvula de 1 bar.
Cv es el coeficiente de caudal en unidades imperiales. Se define como el caudal
en galones US por minuto [gpm] de agua a la temperatura de 60° fahrenheit con
una caída de presión a través de la válvula de 1 psi.
Kv = 0.865 · Cv
Cv = 1,156 · Kv.
En válvulas de descarga del fluido a la atmósfera, se utiliza el coeficiente adimensional
Coeficiente de Descarga (C). Donde El coeficiente de descarga es un factor
adimensional característico de la válvula, que permite calcular el caudal (Q) con el que
desembalsa una válvula en función del nivel del fluido en el embalse o reserva (Δh). [11],
pero en este caso como se analizara la valvula justo a su entrada y justo a su salida este
coeficiente C no se tiene en cuenta en el estudio a realizar en este proyecto.
24
Figura 5. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo versus Tamaño de la válvula en pulgadas
Tomado de “http://www.valvias.com/coeficiente-de-caudal.php”. Consultado el 7 de marzo de
2018.
Es muy importante distinguir el Kv cuyas unidades son: 𝑚3
ℎ∗ 𝑏𝑎𝑟 del parámetro
adimensional K de pérdida de cargas singulares que aparece la bibliografía relacionada
con mecánica de fluidos.
El parámetro K es un parámetro adimensional que relaciona la pérdida de carga en
metros de columna de agua en un equipo con la velocidad del fluido de acuerdo la
siguiente ecuación:
Ecuación 2. Calculo del parámetro K
Donde:
H es la pérdida de carga en metros de columna de agua
V es la velocidad del fluido en m/s
g es la aceleración de la gravedad en m/s2
Esta expresión relaciona la pérdida de carga de cualquier fluido al pasar por un elemento
en función de la velocidad del mismo.
Si aplicamos la definición de Cv a la expresión anterior siendo cuidadosos con las unidades obtendremos una expresión que nos relaciona la constante adimensional de pérdidas de carga K con el Cv
En primer lugar calculamos a cuantos metros de columna de agua a 60 F equivale 1 psi:
1 psi equivale 0.703 metros de columna de agua de densidad 1000 kg/m3 y la densidad del agua a 60F es 62.364 lb/pie3 = 998.975 kg/m3 por lo tanto 1 psi es:
A continuación, teniendo en cuenta que la velocidad de un fluido es el caudal dividido
por el área y que el área de la válvula es . (D es el diámetro de la válvula en
25
metros) sustituimos en la expresión:
Utilizamos el diámetro en pulgadas (1 metro son 39.37 in) y los convertimos el caudal
de m3/s a gpm (1 m3/s son 15850.3 gpm)
Despejamos
Entonces
[12].
Finalmente obtenemos:
Ecuación 3. Relación entre CV y K
Por tanto, Kv es igual a:
1,156 𝐾𝑣 = (29.84) ∗d2
√K
Ecuación 4. Relación entre KV y K
26
Y el valor de K estaría dado por:
𝐾 = 29.842 ∗𝑑4
1,1562𝐾𝑣2
Ecuación 5. Valor de K en términos de Kv
Con el diámetro d dado en pulgadas.
Figura 6. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo y de K según el porcentaje de apertura de la válvula
Tomado de “http://instintologico.com/valvulas-de-control-que-es-el-cv-de-una-valvula/”.
Consultado el 7 de marzo de 2018.
6.6 DINÁMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS
La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es una de las áreas de investigación
activa y altamente exigente, y en la que las computadoras con la aplicación de métodos
numéricos se usan para resolver problemas que involucran flujos de fluidos. Con los
avances recientes en el campo de los CFD, los métodos numéricos ahora son capaces
de resolver física de flujos complejos y se pueden combinar con análisis estructurales y
otros. El análisis de CFD se usa ampliamente en muchas industrias, por ejemplo, en la
industria aeroespacial, automovilística, petrolera y de gas, energía, electrónica, salud, y
ahora se ha convertido en una herramienta esencial para establecer parámetros. El CFD
también se puede usar para comprender la física del flujo a escalas completas en
condiciones de funcionamiento realistas, donde los experimentos no son factibles o muy
27
costosos. El análisis de CFD es una alternativa o complemento rentable para los
experimentos. Dado que varias ecuaciones con millones de incógnitas necesitan
resolverse de forma iterativa, el análisis de CFD requiere una enorme potencia de
cómputo e implementaciones paralelas eficientes de los algoritmos numéricos. Los
recientes desarrollos en hardware de computadora e implementaciones paralelas han
reducido el tiempo computacional en el análisis de CFD. Sin embargo, la escalabilidad
de los códigos CFD sigue siendo muy desafiante en muchas aplicaciones a gran escala,
y los cálculos tardan varios días en simular unos segundos de física en tiempo real. [13]
6.6.1 LA HISTORIA DEL CFD
Los computadores han sido usados para resolver problemas de flujo de fluidos por
muchos años. Numerosos programas han sido diseñados para resolver problemas
específicos, o específicas clases de problemas. Desde mediados de los 70s, las
matemáticas complejas requeridas para generalizar los algoritmos empezaron a
entenderse, y el propósito general de los solver CFD fue desarrollado. Estos empezaron
a aparecer a inicios de los 80s y requirieron en ese entonces computadores muy
poderosos, así como un profundo conocimiento en flujo de fluidos, y grandes cantidades
de tiempo para correr simulaciones. Consecuentemente, CFD fue una herramienta
usada casi exclusivamente en investigación.
Recientes avances en la potencia de computación, conjunto con potentes gráficas y la
manipulación 3d interactiva de modelos, han hecho el proceso de crear un modelo CFD
y el análisis de resultados una labor menos intensiva, reduciendo tiempo y, por lo tanto,
costos. Solver avanzados contiene algoritmos que permiten soluciones robustas en el
campo de flujo en un tiempo razonable.
Como resultado de estos factores, la mecánica de fluidos computacional (Computational
Fluid Dynamics) CFD, es ahora una herramienta de diseño industrial establecida,
ayudando a reducir el tiempo de diseño y mejorar los procesos en el mundo de la
ingeniería. CFD provee una alternativa rentable y precisa a la prueba de modelos a
escala, con variaciones en la simulación que se realiza de forma rápida, ofreciendo
ventajas evidentes.
6.6.2 LA MATEMÁTICA DEL CFD
Las ecuaciones utilizadas para resolver los problemas relacionados con el flujo de fluidos
son las ecuaciones de Navier-Stokes, las cuales son ecuaciones diferenciales parciales
que pueden ser discretizadas y resueltas numéricamente.
Hay un número de métodos diferentes de solución que son usados en los códigos CFD.
El más común, y en el cual el CFX se basa, es conocido como la técnica de los
volúmenes finitos.
En esta técnica, la región de interés está dividida en pequeñas sub regiones, llamada
volúmenes de control. Las ecuaciones son simplificadas y resueltas iterativamente para
cada volumen de control. Como resultado, unas aproximaciones del valor de cada
variable pueden obtenerse en puntos específicos a través del dominio. De esta forma,
se obtiene una imagen del comportamiento del fluido.
28
6.6.3 USOS DEL CFD
CFD es usado por ingenieros y científicos en un gran rango de campos. Aplicaciones
típicas incluyen:
Industria de procesos: Recipientes de mezclas, reactores químicos.
Industria de construcción: Ventilación de edificios.
Seguridad y salud: Investigación del efecto del fuego y el humo.
Industria automotriz: Modelado de combustión, aerodinámica automotriz.
Electrónica: Transferencia de calor dentro y alrededor de tableros electrónicos.
Medioambiental: Dispersión de polución en el aire o en el agua.
Potencia y energía: Optimización de procesos de combustión.
Medicina: Flujo de sangre a través de vasos sanguíneos injertados.
6.6.4 METODOLOGÍA CFD
CFD puede ser utilizado para determinar la eficiencia de un componente en la etapa de
diseño, o puede ser utilizado para analizar dificultades con un componente existente y
conducir a su diseño mejorado.
Por ejemplo, la caída de presión a través de un componente puede ser considerada
excesiva:
Figura 7. Ejemplo de modelo geométrico a parametrizar.
Tomado de Ansys CFX user guide. Consultado el 2 de marzo de 2018.
El primer paso es identificar la región de interés:
29
Figura 8. Volumen de control.
Tomado de Ansys CFX user guide. Consultado el 2 de marzo de 2018.
La geometría de la región de interés es definida entonces. Si la geometría actualmente
existe en CAD, esta puede ser importada directamente. La malla es creada. Después,
se importa la malla en el post procesador, otros elementos de la simulación incluyendo
las condiciones de frontera (entradas, salidas, y demás) y las propiedades del fluido son
definidas.
El solver de fluidos es ejecutado para producir un archivo de resultados que contiene la
variación de velocidad, presión y cualquier otra variable a través de la región de interés.
Los resultados pueden ser visualizados y pueden proveer al ingeniero un entendimiento
del comportamiento de este flujo a través de la región de interés.
Figura 9. Flujo en la parte interna del modelo geométrico.
Tomado de Ansys CFX user guide. Consultado el 2 de marzo de 2018
Esto puede conducir a modificaciones de diseño que pueden ser analizadas cambiando
la geometría del modelo CFD y viendo el efecto.
30
El procedimiento para realizar una simple simulación CFD se divide en cuatro
componentes:
1. Creación de la geometría.
2. Definir la física del modelo.
3. Resolver el problema CFD.
4. Visualizar los resultados en el post procesador.
6.6.4.1 Creación de la geometría:
Este proceso interactivo es la primera etapa de pre procesado. El objetivo es de producir
una malla para introducirla al pre procesador de física. Antes que una malla sea creada,
se requiere de una geometría sólida cerrada. La geometría y la malla puede ser creada
en la aplicación de mallado o por cualquier herramienta de creación de geometría/malla.
Los pasos básicos incluyen:
1. Definir la geometría de la región de interés.
2. Crear regiones de flujo de fluidos, regiones sólidas y los nombres del contorno
en la superficie.
3. Ajustar las propiedades para la malla.
Esta etapa de pre procesamiento es altamente automatizada. En CFX, la geometría
puede ser importada por la mayoría de los paquetes de CAD usando un formato nativo,
y la malla del volumen de control es generada automáticamente.
6.6.4.2 Definición de la física del modelo.
Este proceso interactivo es la segunda etapa de pre procesado y es usada para crear la
entrada requerida por el solver. Los archivos de malla son cargados en el preprocesador
de física, CFX-pre.
Los modelos físicos que están para ser incluidos en la simulación son seleccionados.
Propiedades del fluido y condiciones de frontera son especificadas.
6.6.4.3 Resolución del problema CFD.
El componente que resuelve el problema CFD se llama el solver. Este produce los
resultados requeridos en un proceso no interactivo. Un problema CFD es resuelto de la
siguiente forma:
1. Las ecuaciones diferenciales parciales son integradas sobre todos los volúmenes
de control en la región de interés. Esto es equivalente a aplicar la ley básica de
conservación (por ejemplo, para masa o momentum) a cada volumen de control.
2. Estas ecuaciones integrales se convierten a un sistema de ecuaciones
algebraicas generando un número de aproximaciones en términos de las
ecuaciones integrales.
3. Las ecuaciones algebraicas son resueltas iterativamente.
Un uso iterativo es requerido debido a la naturaleza no lineal de las ecuaciones, y la
solución aprovecha la misma solución exacta, es decir a converger. Para cada iteración,
31
un error, o residuo, es reportado como una medida de la conservación general de las
propiedades del flujo.
Que tan cercana es la solución final de la solución exacta depende de un número de
factores, incluyendo el tamaño y la forma de los volúmenes de control y el tamaño de
los residuos finales. Procesos físicos complejos, como la combustión y la
turbulencia, a menudo son modelados usando relaciones empíricas. Las
aproximaciones inherentes en estos modelos contribuyen a diferenciar entre la solución
CFD y el flujo real.
El proceso de solución no requiere de la interacción del usuario y es, por lo tanto, llevado
a cabo usualmente como un proceso por lotes. El solver produce un archivo de
resultados que es transmitido al post procesador.
6.6.4.4 Visualización de los resultados en el post procesador.
El post procesador es el componente utilizado para analizar, visualizar y presentar los
resultados interactivamente. El post procesado incluye todo desde obtener valores de
puntos como complejas secuencias de animación.
Ejemplos de algunas características de los post procesadores son:
Visualización de la geometría y los volúmenes de control.
Graficas de vectores mostrando la dirección y la magnitud del flujo.
Visualización de la variación de las variables escalares (variables que tienen solo
magnitud, no dirección, como temperatura, presión y velocidad) a través del
dominio.
Cálculos numéricos cuantitativos.
Animación.
Gráficos mostrando representaciones gráficas de variables.
Impresión y puesta en línea. [14]
6.7 DESCRIPCIÓN GENERAL DE ANSYS CFX
ANSYS CFX es un paquete de software de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)
de propósito general que combina solucionador avanzado con potentes capacidades de
procesamiento previo y posterior.
6.7.1 LA ESTRUCTURA DEL CFX
ANSYS CFX consta de módulos de software que toman una geometría y malla, las
cuales generan la información necesaria para realizar un análisis de CFD, los módulos
se presentan así:
32
Figura 10: Estructura del CFX de ANSYS.
Tomada de CFX introduction guide. Consultado el 1 de abril de 2018
6.7.1.1 Pre-procesamiento en el CFX
El pre-procesador de física de próxima generación, CFX-Pre, se usa para definir
simulaciones, además es posible importar múltiples mallas, lo que permite que cada
sección de geometrías complejas use el mallado más adecuado.
Los análisis, que consisten en la física del flujo, las condiciones de contorno, los valores
iniciales y los parámetros del solucionador, son también especificados al momento de
comenzar el proceso de simulación.
6.7.1.2 Solver del CFX
CFX-Solver resuelve todas las variables de solución para la simulación y la
especificación del problema generado en el pre-procesamiento de CFX.
Una de las características más importantes de ANSYS CFX es el uso de un solucionador
acoplado, en el que todas las ecuaciones de la hidrodinámica se resuelven como un solo
sistema. El solucionador acoplado es más rápido que el segregado tradicional, ya
que se requiere solamente un solucionador conjunto y menos iteraciones para
obtener una solución de flujo convergente.
6.7.1.3 Asistente de solver-CFX
El módulo CFX-Solver Manager proporciona un mayor control para la gestión de la tarea
CFD. Sus funciones principales son:
• Especificar los parámetros de entrada al CFX-Solver.
• Iniciar o detener el CFX-Solver.
33
• Monitorear el progreso de la solución.
• Configurar el CFX-Solver para un cálculo unificado como un solo sistema.
6.7.1.4 Post-procesamiento en CFX
CFD-Post ofrece herramientas gráficas interactivas de post-procesamiento para analizar
y presentar resultados de la simulación ANSYS CFX.
Las características importantes incluyen:
Post-procesamiento cuantitativo.
Generación de informes.
Línea de comando.
Archivo de sesión o entrada de archivo de estado • Variables definidas por el
usuario.
Generación de una variedad de objetos gráficos donde se muestran
características como visibilidad, transparencia, color y representación de línea /
cara. [15]
6.8 ANÁLISIS DE FLUIDODINÁMICA COMPUTACIONAL PARA
VÁLVULAS MEDIANTE ANSYS
Debido a que el software a utilizar para el estudio sobre la válvula de bola es ANSYS se
presentan los parámetros y el procedimiento a realizar al momento de hacer un análisis
sobre el flujo dentro de una válvula.
El ejemplo por tomar en cuenta es el análisis de flujo a una válvula de bola en V que se
encuentra en la página web de soporte técnico sobre el software ANSYS, y por tanto se
presentan los pasos a seguir para realizar el análisis de sobre dicha válvula.
IDENTIFICAR EL PROBLEMA: Es posible imaginar que para fines industriales
controlar el caudal puede ser crucial para procesos químicos. Tener una relación
lineal entre el ángulo de apertura y coeficiente de flujo de una válvula es
particularmente deseable ya que esto puede conducir a soluciones de control
menos costosas. Las válvulas de bola V-Port se pueden optimizar aún más a
través de cambios en la geometría o a través de dispositivos anti-cavitación.
DETERMINAR EL PROBLEMA: La válvula V-Port debe ser observada en su
parte interna para determinar si es posible modelar la solución a la problemática
planteada, para proceder a determinar un procedimiento apto para resolver
debido a la geometría de la válvula.
DETERMINAR LA SOLUCIÓN: Usando el software de ingeniería ANSYS:
La geometría de preocupación será modelada.
Luego se realizará un análisis dinámico de fluidos.
Entonces se obtendrán ciertos parámetros de dicho análisis que indicarán si
el diseño de la válvula es viable para un mayor desarrollo.
RECORRIDO DE ESTUDIO: Procedimiento general:
34
1. Obtener / Crear Geometría y Generar Malla 2. Elegir el modelo apropiado de dinámica de fluidos 3. Establecer la condición de frontera y ejecutar la simulación 4. Evaluar resultados
35
7. MODELAMIENTO
Para realizar un estudio de fluidodinámica computacional de manera eficiente,
cumpliendo con los parámetros estipulados por el software ANSYS es requerido
completar cada uno de los pasos ubicados en el apartado 6.9 “Análisis de fluidodinámica
computacional para válvulas mediante ANSYS”, por tanto en el presente documento se
ofrece el procedimiento a seguir con la finalidad de ejecutar de manera adecuada el
proceso de simulación para la obtención de datos veraces, y por tanto resultados de
calidad, debido a lo anterior el paso a paso se presenta así:
7.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA A SOLUCIONAR
El problema planteado a solucionar es el análisis de la caída de presión sobre una
válvula de bola al variar los ángulos de apertura iniciando desde 5°, luego 15°, 30° hasta
45° mediante el software de ingeniería ANSYS, lo anterior con la finalidad de obtener
datos de variación de presión, y luego con las fórmulas que se tienen como base teórica
realizar el cálculo del CV (Coeficiente de flujo), y de esta manera identificar el mejor
punto de rendimiento para este tipo de accesorio.
7.2 ESPECIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN
Por medio del software de ingeniería ANSYS se plantea tanto la geometría a utilizar,
como los parámetros de entrada que se requieren para el cálculo acertado de la caída
de presión sobre el accesorio a evaluar. En primera medida, se plantea como solución
un análisis paramétrico de la caída de presión sobre la válvula de bola, es decir un
estudio que tiene como base ciertos parámetros de entrada y posteriormente genera el
cálculo de la caída de presión luego del flujo al interior de la válvula para la realización
del cálculo del CV de este elemento y así determinar el rendimiento óptimo de la válvula
de bola, y además de lo anterior encontrar mediante graficas la relación entre el ángulo
de apertura y el coeficiente de flujo de la válvula, y la dependencia del caudal de entrada
sobre el coeficiente de flujo obtenido.
Para iniciar la solución planteada a la problemática propuesta es necesario hablar en
primera medida sobre la geometría a evaluar, es decir el tipo de válvula a analizar y que
volumen es el de importancia para la observación del flujo, y por ende de la caída de
presión.
Debido a la anterior se procede a mostrar el tipo de válvula de bola a analizar:
36
Figura 11: Válvula de bola a analizar.
Fuente: https://grabcad.com/library/ball-valve-84
Figura 12: Bola donde se evalúa el flujo.
Fuente: https://grabcad.com/library/ball-valve-84
Figura 13: Geometría interna de flujo sobre la válvula.
Fuente: https://grabcad.com/library/ball-valve-84
37
Esta válvula escogida en primera medida es para el acople a una tubería de 1” y debido
a su geometría se encuentra la posibilidad de hacer un buen análisis a las perdidas
energéticas dadas por la caída de presión generada por calor, sonido y disminución de
paso de flujo. Además de lo ya mencionado esta válvula ofrece una superficie interior
que se presta de la mejor manera para mostrar el flujo y evidenciar la presión a lo largo
de la misma.
Para la realización del análisis dinámico de fluidos como resolución a la problemática
planteada es necesario dar a entender que solo se tiene como campo de aplicación el
flujo interno sobre la válvula, es decir lo importante realmente es el contacto del fluido
con las superficies internas de la válvula, el análisis se realiza desde un punto A hasta
un punto B, siendo ubicado el punto A justo a la entrada de la válvula y el punto B un
instante luego de la salida de la misma así.
Figura 14: Puntos de análisis del software.
Fuente: elaboración propia
Sabiendo cuales son los puntos a analizar, o mejor dicho los puntos entre los cuales se
realiza el análisis se plantean ciertos parámetros de entrada para la ejecución adecuada
de la solución a la problemática que está siendo planteada, los cuales se enlistaran aquí:
Velocidades en la entrada de 1m/s y 2 m/s ya que velocidades comerciales como
3 m/s generan una caída de presión muy alta debido a la geometría que
proporciona la válvula y el método de solución que ofrece el software. Por ende,
para la disminución de la magnitud de los posibles resultados se procede a usar
en primera medida dicha velocidad, además se toman dos valores de velocidad
para evidenciar el comportamiento de la válvula con la variación del caudal.
Se modela la válvula con descarga a la atmosfera, con de 0 Pa en escala
manométrica, es decir a presión atmosférica estándar de 101325 Pa.
Ángulos de apertura desde 5° hasta 45°. Lo anterior debido a que como se
muestra en las características de la válvula de bola ubicadas en el marco teórico
se explica que este tipo de válvula es un elemento de cierre a cuarto de vuelta,
38
es decir a 45º hacia cada lado. Debido a lo anterior, se toman valores arbitrarios
para realizar una proyección del comportamiento de esta con la variación de los
ángulos de apertura de 5°, 15°,30° y finalmente 45°.
El flujo que se analizará se presenta en un régimen turbulento debido a que por
la variación del ángulo y la superficie interna de la válvula se presentan
rozamientos del fluido con las paredes internas del accesorio al realizar las
modificaciones en los ángulos.
El fluido a analizar es agua a 16 ºC o 289,15 K porque este es el fluido más
común.
El resto de parámetros a utilizar, tales como el número de iteraciones y el tipo de solución
combinado con entrada de velocidad y salida de presión están totalmente ligados al
método de cálculo que ofrece el software, así que se presentaran en la sección que
habla del recorrido de estudio o la metodología para el modelamiento en ANSYS.
A continuación, se presenta la tabla de equivalencia de los ángulos en grados que ofrece
el software ANSYS con la equivalencia de la apertura de la válvula.
ANGULO EN ANSYS EQUIVALENCIA EN APERTURA
45° Apertura completa de la válvula
30° 2/3
15° 1/3
5° 1/9
Tabla 1: Ángulos de apertura en ANSYS y su equivalencia de apertura en la válvula.
7.3 METODOLOGÍA PARA EL MODELAMIENTO EN ANSYS
Al tener como base los parámetros planteados en el apartado anterior es posible
comenzar con la realización del estudio de la caída de presión por medio de un análisis
paramétrico mediante ANSYS paso a paso comenzando con la creación del dominio del
fluido o geometría a analizar, siguiendo con la generación de la malla a estudiar, la
ubicación de parámetros de entrada para la realización del cálculo, el cálculo de la
solución real al análisis por medio de iteraciones, simulación computacional y por ultimo
obtención de resultados y análisis de los mismos.
Para comenzar con la evaluación de la caída de presión es necesario hablar del entorno
para la simulación de flujo que ofrece el software ANSYS, el entorno del Worbench o
zona de trabajo recibe el nombre de Fluid Flow (Fluent), que está diseñado para
cualquier tipo de análisis al flujo de fluidos sobre accesorios o tuberías.
39
Figura 15: Entorno de Análisis de flujo de ANSYS.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0
El entorno de flujo cuenta con 5 operaciones, las cuales son:
Geometry: importación y modificación de la geometría o volumen a analizar.
Mesh: Generación de mallado sobre toda la superficie para el análisis de flujo al
interior de la válvula.
Setup: puesta a punto de los parámetros de entrada para la realización del
cálculo de la solución.
Solution: Calculo de la solución por medio de un proceso iterativo en búsqueda
de la convergencia necesaria para mostrar de manera adecuada el flujo al interior
de la válvula.
Results: Postprocesamiento, simulación y búsqueda de otras soluciones para
distintos parámetros a proporcionar al software.
7.3.1 CREACIÓN DEL DOMINIO DE FLUIDO O VOLUMEN DE CONTROL
Dentro del entorno de “Geometry” que maneja ANSYS se importa el modelo de la válvula
en 3D de la página de internet GRABCAD, donde se encuentran modelos en 3D para
descargar y utilizar en cualquier aplicación deseada. Luego de bajar los archivos se
procede a establecer el dominio que va a tener el fluido durante su estudio. El link del
cual se descargó el modelo en 3D se encuentra como fuente en la figura 16 y se
encuentra en las bibliografías. [17]
En primera medida es necesario aclarar que este será un análisis paramétrico así que
se cuenta en este caso un parámetro de entrada y uno luego de salida el parámetro de
entrada a ubicar en el entorno de “Geometry” es el de los ángulos de apertura dispuestos
a trabajar durante el análisis, para esto es necesario darle a la bola de la válvula una
operación o parámetro de rotación para que lo ángulos de apertura puedan ser variados,
de la siguiente manera:
En primera medida se va a la pestaña Create, se sigue con la opción Body transformation
y por último se da click a la opción Rotate
40
Figura 16: Selección de tipo de movimiento rotación.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
En segunda instancia en la parte de Bodies se selecciona la bola de la válvula, para
saber cuál es el elemento a rotar, por tanto se selecciona el cuerpo a rotar y se procede
a clickear la tecla Apply.
Figura 17: Selección de elemento a rotar.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Posteriormente en Axis selection se escoge el eje coordenado sobre el cual la bola de
la válvula va a rotar, para este caso se escoge el eje Y, por tanto se selecciona el eje y
se procede a clickear la tecla Apply.
41
Figura 18: Selección de eje de rotación.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Luego, es requerido que la rotación se vuelva un parámetro de entrada, y por tanto se
requiere dar click en el cuadro blanco de la parte inferior izquierda para volver esa
rotación un parámetro real de entrada, además es necesario dar un nombre a dicha
variable el cual para este caso es ÁNGULO.
Figura 19: Selección de rotación como parámetro.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Para que el ángulo sea variado con éxito, es necesario clickear la ventana Parameters,
y en la barra de parámetros cambiar el valor de ángulo por el dato deseado y
posteriormente dar click en la opción Generate.
42
Figura 20: Rotación del ángulo como un parámetro.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Posteriormente al proceso de la rotación como parámetro de entrada se crea en el
Workbench un icono de parámetro de entrada para luego conectar el parámetro de
salida.
Figura 21: icono de variación de parámetros.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Ya que se planteó la rotación como un parámetro de partida ahora se requiere la
creación del dominio del fluido, es decir, volver la parte interna de la válvula un nuevo
43
volumen el cual es el que realmente se va a analizar por medio del software, es decir el
proceso para hallar este nuevo volumen consiste en llenar la parte interna de la válvula
y de esta manera hallar los lugares por donde es conducido el fluido, cabe aclarar que
las imágenes a mostrar son para la válvula de bola con una apertura de 30º.
Figura 22: Válvula de bola con apertura de 30º
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Para el llenado de la válvula y la creación del volumen de control se necesita en primera
medida que la cavidad a llenar se encuentre dentro de un dominio cerrado, para lo
anterior se crean dos fronteras en cada uno de los extremos de la válvula y tapan
cualquier tipo de acceso y salida de la misma; para la creación de las fronteras se entra
a el apartado concept y se da click a la opción de surfaces from edges, para que se
genere la superficie sobre una geometría vacía.
Figura 23: Creación de superficies
44
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Ahora se procede a seleccionar las dos circunferencias llenar en la parte de Edges,
posteriormente dando click en la tecla Apply.
Figura 24: Selección de área
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
A continuación, se da click en el botón Generate para la creación de la frontera sobre el
vacío que se tenía anteriormente.
Figura 25: Frontera creada
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Seguido a la creación de las fronteras se requiere la realización del llenado para la
obtención del dominio del fluido, este llenado se realiza mediante la operación Fill. Para
esto se va a la opción Tools y luego a Fill para realizar el llenado.
45
Figura 26: Opción Fill
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Para la creación del dominio del fluido o del volumen de control se utiliza un método por
capas, el cual escoge todo el cuerpo analizado, es decir, la válvula y evidencia las partes
donde no se encuentra un relleno sólido y lo rellena por completo, para la realización del
llenado se cambia el método de análisis de by cavity a by caps.
Figura 27: Metodo de análisis por capas
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Ahora se selecciona la opción target bodies, luego se seleccionan todos los cuerpos y
se procede a clickear la opción Apply.
46
Figura 28: Selección de cuerpos para generar el dominio del fluido
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Lo que resta es dar click en la operación Generate para la obtención del dominio del
fluido, el cual será llevado a la operación de mallado.
Figura 29: Dominio del fluido
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
7.3.2 MALLADO AL VOLUMEN DE CONTROL
Con la obtención del dominio del fluido, se requiere realizar un mallado sobre toda la
superficie de este volumen a analizar con la finalidad de observar el flujo sobre cada uno
de los puntos que se encuentran dentro de ese dominio para la generación de su
posterior análisis, y además para el cálculo de la caída de presión sobre este accesorio
y el análisis de rendimiento posterior.
A B
47
Figura 30: Entorno de Mallado al dominio del fluido
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Para generar el mallado es necesario darle a entender al software donde es la entrada
de flujo, cual es la salida, y cuáles son las paredes por donde va a estar transitando el
fluido, esto se realiza a partir de unas llamadas named selections, las cuales permiten
indicar los puntos donde se requiere ubicar parámetros de entrada antes de la ejecución
del solver para la obtención de los resultados de la caída de presión sobre la válvula.
Para realizar lo anteriormente descrito se selecciona la cara o caras a nombrar y se da
click derecho luego de seleccionarla y se selecciona la opción create a named selection,
posteriormente se realiza la misma operación para las partes de interés.
48
Figura 31: Named selections
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Figura 32: Entrada
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
49
Figura 33: Salida
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Figura 34: Pared
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Para terminar el mallado se selecciona la opción mesh, luego inflation, posteriormente
all faces in chosen named selections, y por último en donde se encuentra named
selection se selecciona Wall para que lo que se vaya a enmallar sea todo lo que se
encuentra en contacto con la pared. Al realizar esto se procede a clickear el botón
50
Generate y de esta manera se genera la malla con las posiciones de los puntos de real
interés.
Figura 35: conformación de la malla
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Figura 36: Mallado del dominio del fluido
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
51
7.3.3 DEFINICIÓN DE PARAMETROS PARA LA SOLUCIÓN EN EL
SOFTWARE
Para dar inicio al cálculo del flujo de agua sobre el dominio del fluido que ya fue mallado
se va al entorno de set up en el cual se ubican cada uno de los parámetros importantes
al momento de simular, pero además se puede dar inicio al cálculo iterativo de la solución
a la problemática planteada para su posterior simulación y análisis mediante el
postprocesador.
En primera medida al dar doble click en setup se generara un cuadro de dialogo que
evalúa las condiciones de arranque y la precisión con la cual se requiere hacer el cálculo
para un resultado y sin ningún percance durante lo que resta, por ende se dejan todas
las opciones que ofrece por default menos una, ya que la última condición a usar es la
de double precision, la cual como su nombre lo indica, está diseñada para aumentar la
precisión del solver que se va a utilizar durante las iteraciones.
Figura 37: Entrada al entorno setup
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Al ingresar el entorno de setup aparecen una serie de parámetros a tener en cuenta
durante las simulaciones a realizar, por tanto es necesario tenerlos claros para continuar
con el proceso de unas simulaciones de alta calidad y con resultados totalmente
veraces.
52
Figura 38: Entorno setup
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
El primer parámetro a seleccionar es el tipo de sistema que se va a realizar, o en otras
palabras el régimen de flujo que se tendrá en cuenta para la realización del estudio, es
importante aclarar que el flujo que se tiene por default es un flujo laminar, y por tanto se
requiere un cambio en este, por consiguiente en lugar de seleccionar flujo laminar se
selecciona la opción k-epsilon (2eqn), la cual nos presenta un flujo de tipo turbulento y
más acercado a las condiciones de trabajo que ofrece la válvula durante su operación.
Figura 39: Selección de flujo turbulento
53
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Luego de la selección del tipo de flujo es necesario hablar del tipo de fluido con el que
se va a trabajar, para el caso de este proyecto el fluido a utilizar es agua en estado
totalmente líquido a temperatura ambiente; debido a que el software tiene cargado el
fluido principal como aire es necesario ir a la biblioteca de ANSYS a seleccionar el fluido
a utilizar como agua, para entrar a la biblioteca se da click en el botón Fluent database
y luego se busca wáter liquid, se da click en copy y luego en close y el fluido ya habrá
sido cargado correctamente.
Figura 40: Selección de agua como fluido de estudio
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Posteriormente en la zona de zone cell conditions se requiere cambiar el fluido de aire
a agua en estado líquido para que en cada una de las capas del dominio del fluido se
utilice el agua a 16 ºC, con una densidad de 998.2 kg/m^3, con viscosidad de 0.001003
kg/m*s^-1 como el fluido transitando entre las paredes.
54
Figura 41: Selección de agua para el estudio interno
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
A continuación, se establecen las condiciones de frontera, dando doble click sobre
cualquier nombre aparecen las condiciones de esa frontera para la realización del
cálculo real de la caída de presión, para este análisis no es necesario ubicar ningún tipo
de parámetro especial para las paredes donde fluirá el fluido y por tanto se toman en
cuenta todas las especificaciones por Default.
Pero tanto para la entrada como para la salida es necesario tener en cuenta las
condiciones de operación ya enlistadas anteriormente, por ende, para la entrada (inlet),
se tiene en cuenta que es una entrada de velocidad que estará funcionando con una
velocidad de 1m/s, y posteriormente con 2 m/s.
55
Figura 42: Selección de velocidad a 3m/s
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Y la presión de la salida sebe ser de 0 Pa, ya que así el software realice cálculos en
unidades absolutas ya tiene como base 1 atm de presión y por tanto toda presión a
digitar sobre la presión de salida debe estar dada en escala manométrica para la
obtención de datos claros y veraces.
Figura 43: Selección de presión manométrica 0 Pa
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
El método de solución a escoger debe ser un método combinado o coupled, ya que el
análisis que se está realizando es un análisis de velocidad a la entrada y presión a la
salida, y debido a esto un método de solución simple no tiene la capacidad de soportar
los cálculos requeridos para la obtención de los datos de caída de presión desde la
entrada a la salida de la válvula.
56
Figura 44: Tipo de solución combinado
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Antes de iniciar el cálculo iterativo es necesario saber qué tipo de solución es la que se
requiere, y tal cual por las mismas razones que se usa un método de solución
combinado, para este caso se utiliza un tipo de solución hibrida que relacione los datos
de velocidad a la entrada con la presión a la salida y realice el cálculo adecuado de la
caída de presión en el dominio del fluido.
Figura 45: Solución de tipo hibrida
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Por último, es necesario dar click en el botón run calculation, escoger alrededor de 2000
iteraciones para dar posibilidad al cálculo preciso, y por último dar click en la operación
57
calculate, para dar inicio al proceso iterativo que dará solución a las ecuaciones de la
válvula y por tanto que realizara el cálculo real de la caída de presión sobre la válvula.
Figura 46: comienzo del cálculo de la caída de presión
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Para que la solución sea la adecuada y tenga veracidad las iteraciones deben converger
con un margen de error mínimo, por ejemplo para el caso del análisis de esta válvula el
número de convergencia es 1E-03, es decir cada una de las ecuaciones debe cumplirse
y por tanto su número de convergencia es se aproxima a cero, para llevar a cabo el
cálculo de cada ángulo se requieren alrededor de 250 iteraciones para que los valores
converjan, lo anterior debido a la geometría interna de la válvula, la cual dificulta la
realización del mallado y por consiguiente la elaboración del cálculo por medio del solver
que ofrece ANSYS.
Por tanto, para obtener los valores de caída de presión de 0º, 15º, 30º y 40º se requieren
alrededor de 1000 a 1300 iteraciones.
58
8. ANÁLISIS Y RESULTADOS
8.1 OBTENCIÓN DE RESULTADOS.
Cuando el solver termina de realizar los cálculos para el programa, se hace posible
analizar los resultados obtenidos, esto se hace por medio de la celda “Results”, en donde
se puede observar un modelo tridimensional del dominio del fluido, y generar un reporte
automático del flujo en su parte interna, pudiendo observar la velocidad de entrada y el
aumento de la misma durante el paso que se tiene por la parte interna de la válvula, y
su disminución al salir de la parte interna del accesorio. Junto con lo anterior también es
posible denotar por medio de una escala de colores la disminución de la presión de la
salida respecto a la de la entrada, yendo desde un rojo lo que muestra una presión muy
alta, hasta un azul claro que da a entender que la presión realmente cayó en su paso
por el interior de la válvula.
Figura 47: Entorno Solution
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Luego de la realización de todos los cálculos por parte del solver de ANSYS para cada
uno de los ángulos es posible observar el flujo al interior del volumen de control, esto es
posible verlo por medio de la opción stream line, la cual está diseñada para la
observación de las líneas de flujo entrantes a cualquier accesorio o tubería trabajada.
59
Figura 48: Stream Line
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Posteriormente para visualizar de manera adecuada el flujo se selecciona en la pantalla
Geometry la opción start from y dar click a la opción inlet, a continuación, en la pantalla
Symbol seleccionar en stream type la opción tube para poder observar el flujo de agua
como tubos y no solo como líneas para dar mayor claridad con lo que se está
observando, luego dar click en la opción Apply.
Figura 49: Creación de las líneas de flujo.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Seguido a lo anterior, se realiza la generación de un plano que muestre la variación de
la presión desde el punto de entrada, hasta la salida real de la válvula. Este plano se
genera mediante la opción Location, luego clickear en plane, a continuación ir a color,
luego a variable y escoger Pressure para que el plano muestre realmente la variación
de la presión.
60
Figura 50: Creación de plano de presión.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Por último, se requiere hallar el valor numérico de la caída de presión para
posteriormente hallar los valores de coeficiente de flujo CV de la válvula, lo cual se hace
de mediante la pestaña expressions.
Figura 51: Pantalla Expressions.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
61
En la pantalla expressions se procede a encontrar el valor de la caída de presión o Delta
P, el cual se halla restando los valores de presión a la entrada de la válvula y los de
presión de la salida de la misma para ver la diferencia entre estos valores y hallar el dato
de perdida energética visto como caída de presión, lo anterior se hace de la siguiente
manera.
En primera instancia es necesario crear una expresión llamada delta P o variación de
presión donde se especificara el cálculo a realizar, esto se hace dando click derecho en
el mouse y luego se da click al botón new para crear una nueva expresión, y a
continuación se da el nombre de la expresión, para este caso será “DELTAP”.
Figura 52: Nueva expresión.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Luego de dar nombre a la expresión es momento de hacer el cálculo de la caída de
presión. Para ello es necesario ejecutar la resta entre la presión a la entrada y la presión
de salida, para realizar esto se requiere usar una función llamada AreaAve que es el
área total de la variable a analizar, esta se despliega dando click derecho, luego
clickeando en functions, seguido a eso presionar en CFD post, para encontrar la función
AreaAve.
62
Figura 53: función AreaAve.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Seguido a lo anterior, se necesita ubicar la variable a analizar entre los paréntesis de la
nueva función, para este caso se escribe la variable Pressure, y a continuación luego
del arroba se escribe el lugar a analizar, el cual es la entrada, por tanto se escribe outlet.
Figura 54: Variable Presión
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Por último se hace lo mismo con la salida y se restan esos valores de inlet y outlet para
obtener el dato de la caída de presión luego del paso por la valvula.
Figura 55: Modelo para cálculo de caída de presión en el solver.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
63
De lo anterior se obtienen los resultados de caída de presión tanto cualitativa como
cuantitativamente, y además es posible evidenciar los valores cualitativos de las líneas
de flujo, es decir de la variación de la velocidad para su posterior análisis.
8.2 ANALISIS DE RESULTADOS
8.2.1 ANALISIS DE LAS LINEAS DE FLUJO CON LA VARIACION DEL
ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2 m/s.
45°
30°
64
Figura 56: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con velocidad de 1 m/s.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
5°
15°
65
45°
30°
66
Figura 57: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con velocidad de 2 m/s.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Mediante las figuras 59 y 60 es posible evidenciar que hay perdidas energéticas debido
al movimiento de la bola, y por ende al ángulo de apertura presente en el accesorio, lo
cual deja ver que las perdidas están dadas por el flujo que no es capaz de entrar, ya que
la apertura de la válvula es cada vez menor, lo cual incrementa las pérdidas de energía,
por lo que el caudal dentro de la bola disminuye proporcionalmente a la disminución del
ángulo de apertura de la misma. Además de lo anterior la velocidad al interior de la bola
es mayor, esto se evidencia sin importar el caudal que haya a la entrada, ya que el área
de flujo es menor mientras se transita por esta; luego del paso por la bola de la válvula
15°
5°
67
la velocidad vuelve a disminuir debido a la interacción con las paredes del dominio del
fluido, al aumento en el área y el rozamiento que es generado cuando el agua intenta
transitar por el interior de la válvula.
Debido a lo anterior, el flujo es totalmente azul o lento al iniciar 1m/s para la figura 59 y
2m/s para la figura 60, posteriormente en el interior de la bola el flujo se vuelve de color
amarillo, verde o rojo mostrando un aumento en el rango de velocidades que maneja el
fluido, y por último la velocidad vuelve a disminuir cuando termina el paso por la bola
llegando a un azul verdoso, por ende la velocidad en la salida es un poco mayor que en
la entrada.
8.2.2 ANALISIS DEL PLANO DE PRESIÓN CON LA VARIACION DEL
ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2m/s.
45°
30°
68
Figura 58: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º con velocidad de 1 m/s.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
5°
15°
69
45°
30°
15°
70
Figura 59: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º con velocidad de 2 m/s.
Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia
Mediante las figura 61 y 62 es posible evidenciar que hay una caída de presión debido
al movimiento de la bola, y por ende al grado de apertura presente en el accesorio, sin
importar el caudal entrante a la misma, lo cual deja ver que la caída de presión está
totalmente ligada a las perdidas dadas por el flujo que no es capaz de entrar, esto porque
la apertura de la válvula es cada vez menor, es decir, la caída de presión es mayor y se
generan mayor cantidad de perdidas energéticas mientras el ángulo de apertura de la
válvula va disminuyendo. Eso se evidencia debido a que la presión va desde un color
rojo que es el punto de presión más alta, el cual se encuentra a la entrada de la válvula
y con el pasar del tiempo de tránsito y esa energía disminuye tal como se aclara el color
del plano de presión de la válvula.
Se comprueba así, que existe una caída de presión gracias a la disminución de la
apertura de la bola, y así lo muestran los resultados de caída de presión que ofrece el
software ANSYS luego de realizar el proceso matemático en la pantalla de expresssions,
es decir, el valor de disminución de la presión al pasar por la válvula, así.
Ángulo de apertura Caída de Presión (Pa) Caída de presión (KPa)
45° 2533.3 2.53
30° 12139.9 12.13
15° 100229 100.3
5° 801985 801.99
5°
71
Tabla 2: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15° y 5°con velocidad
de 1 m/s.
Asumiendo que la tubería que se ubica en la válvula es de 1”, según la tabla de
propiedades de tubería de acero el área inicial de flujo es 5,534x10^-4 m^2, la velocidad
proporcionada al software es de 1m/s,
Según la ecuación
𝑄 = 𝑉 ∗ 𝐴
Ecuación 6. Caudal
El valor del caudal inicial con la válvula completamente abierta Q es igual a:
𝑄 = 1𝑚
𝑠∗ 5,534 ∗ 10−4 𝑚2
𝑄 = 5,534 ∗ 10−4𝑚3
𝑠
Además de lo anterior, como el fluido que cumple la trayectoria del interior de la válvula
es agua con una gravedad especifica de 1, es posible realizar el cálculo del coeficiente
de flujo KV para los valores de caída de presión obtenidos mediante el software de
ingeniería ANSYS y de esta manera realizar las gráficas correspondientes a coeficiente
de flujo vs caudal y coeficiente de flujo vs ángulo de apertura.
El coeficiente de flujo CV en unidades inglesas y KV en unidades internacionales se
obtiene mediante la ecuación 2, pero con ciertas unidades, en primera medida el caudal
de flujo (Q) debe estar en m^3/h, la gravedad especifica es adimensional y la caída de
presión debe encontrarse en bar, por tanto, es necesario realizar las conversiones
pertinentes.
Es importante aclarar que por cada 15 grados de apertura de la válvula realmente el
caudal sobre la bola se aumenta un 33.3%, y por cada 5° se aumenta un 11,1% por tanto
se requiere modificar el caudal para cada uno de los ángulos especificados.
𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ= 1,9922
𝑚3
ℎ Para 45º
𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ∗ 0,666 = 1,327
𝑚3
ℎ Para 30º
𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ∗ 0,333 = 0,663
𝑚3
ℎ Para 15º
𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ∗ 0,111 = 0,221
𝑚3
ℎ Para 5º
72
𝑆𝐺 =1000
𝐾𝑔
𝑚3
1000𝐾𝑔
𝑚3
= 1 Para el agua
∆𝑃 = 2,53𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 0,0253 𝑏𝑎𝑟 Para 45º
∆𝑃 = 12,13𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 0,1213 𝑏𝑎𝑟 Para 30º
∆𝑃 = 100,23𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 1 𝑏𝑎𝑟 Para 15º
∆𝑃 = 801,99𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 8,02 𝑏𝑎𝑟 Para 5º
Con las conversiones anteriormente mostradas, ya es posible realizar una tabulación de
los valores de Kv para cada uno de los ángulos trabajados mediante la siguiente
ecuación.
𝐾𝑣 =(𝑄)
√(𝛿𝑝𝑠𝑔
Ecuación 7. Calculo de KV
𝐾𝑣 = (1,9922𝑚3
ℎ)/(√
0,0253 𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟏𝟐, 𝟓𝟐𝟒𝟗 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 45º
𝐾𝑣 = (1,327𝑚3
ℎ)/(√
0,1213 𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟑, 𝟖𝟏 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 30º
𝐾𝑣 = (0,663𝑚3
ℎ)/(√
1 𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟔𝟔𝟑 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 15º
𝐾𝑣 = (0,221𝑚3
ℎ)/(√
8,02 𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟎𝟕𝟖 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 5º
Angulo Caída de presión (ΔP)
Caudal (Q) Coeficiente de flujo (Kv)
45º 0,0253 bar 1,9922 m^3/h
12,5249 (m^3/h)/(bar)
30º 0,1213 bar 1,49148 m^3/h
3,81 (m^3/h)/(bar)
15º 1 bar 0,99612 m^3/h
0,663 (m^3/h)/(bar)
5º 8.02 bar 0,489 m^3/h 0,078 (m^3/h)/(bar)
Tabla 3: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 1 m/s.
73
A continuación se presentan los valores de caída de presión para una velocidad de 2
m/s y posteriormente el cálculo de Kv para esta velocidad de flujo.
Ángulo de apertura Caída de Presión (Pa) Caída de presión (KPa)
45° 9658.27 9.658
30° 50654.3 50.654
15° 400581 400.58
5° 3.213 x10^6 3213
Tabla 4: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15°y 5°con velocidad
de 2m/s.
Asumiendo que la tubería que se ubica en la válvula es de 1”, según la tabla de
propiedades de tubería de acero el área inicial de flujo es 5,534x10^-4 m^2, la velocidad
proporcionada al software es de 1m/s,
El valor del caudal inicial con la válvula completamente abierta Q es igual a:
𝑄 = 2𝑚
𝑠∗ 5,534 ∗ 10−4 𝑚2
𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3𝑚3
𝑠
Además de lo anterior, como el fluido de estudio sigue siendo agua con las mismas
características especificadas se procede a calcular KV nuevamente.
𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ= 3,984
𝑚3
ℎ Para 45º
𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ∗ 0,666 = 2,653
𝑚3
ℎ Para 30º
𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ∗ 0,333 = 1,326
𝑚3
ℎ Para 15º
𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3
𝑠∗
3600𝑠
1ℎ∗ 0,111 = 0,442
𝑚3
ℎ Para 5º
𝑆𝐺 =1000
𝐾𝑔
𝑚3
1000𝐾𝑔
𝑚3
= 1 Para el agua
74
∆𝑃 = 9.658𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 0,0965 𝑏𝑎𝑟 Para 45º
∆𝑃 = 50.654 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 0,506 𝑏𝑎𝑟 Para 30º
∆𝑃 = 400.58𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 4 𝑏𝑎𝑟 Para 15º
∆𝑃 = 3213𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟
100𝐾𝑃𝑎= 32,13 𝑏𝑎𝑟 Para 5º
Con las conversiones anteriormente mostradas, ya es posible realizar una tabulación de
los valores de Kv para cada uno de los ángulos trabajados mediante la ecuación 4.
𝐾𝑣 = (3,984𝑚3
ℎ)/(√
0,0965 𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟏𝟐, 𝟖𝟐𝟒𝟗 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 45º
𝐾𝑣 = (2,653𝑚3
ℎ)/(√
0,506𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟑, 𝟕𝟐𝟗 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 30º
𝐾𝑣 = (1,326𝑚3
ℎ)/(√
4 𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟔𝟔𝟑 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 15º
𝐾𝑣 = (0,442𝑚3
ℎ)/(√
32,13 𝑏𝑎𝑟
𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟎𝟕𝟖 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 5º
Luego de la realización del cálculo de Kv se presentan las variables a utilizar para las gráficas
en una tabla.
Angulo Caída de presión (ΔP)
Caudal (Q) Coeficiente de flujo (Kv)
45º 0,0965 bar 3,984 m^3/h 12,825 (m^3/h)/(bar)
30º 0,506 bar 2,988 m^3/h 3,729 (m^3/h)/(bar)
15º 4 bar 1,992 m^3/h 0,663 (m^3/h)/(bar)
5º 32,13 bar 0,996 m^3/h 0,078 (m^3/h)/(bar)
Tabla 5: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 2 m/s.
Con los datos de Kv para las velocidades de 1 m/s y de 2 m/s se evidencia que estos
resultados son similares, es decir se encuentran dentro de un mismo rango numérico,
ya que sus variaciones son por decimales, por tanto es posible decir que así la caída de
presión sea mucho mayor en la válvula trabajando con velocidad de 2 m/s, debido al
aumento del caudal se puede observar que el coeficiente de flujo se mantiene constante,
75
y por tanto se puede hablar de que estos valores de Kv son inherentes a la válvula y a
sus condiciones geométricas internas, junto con el diámetro de la misma y el ángulo de
apertura que tenga la válvula. Luego de lo anterior se procede a realizar el cálculo del
coeficiente o parámetro K para cada ángulo de apertura y observar la relación
mencionada entre K y Kv en el marco teórico mediante las gráficas de K vs Kv.
8.2.3 CÁLCULO DE K PARA LOS ÁNGULOS TRABAJADOS CON VELOCIDADES
DE 1 m/s Y 2m/s.
Sabiendo que el valor de K está dado por la ecuación 5 se procede a realizar su
cálculo para la velocidad de 1 m/s y luego para 2 m/s, así:
𝐾 = 29,842 ∗1"4
1,1562(12,5249)2 = 4,247 Para 1 m/s y 45º
𝐾 = 29,842 ∗1"4
1,1562(3,81)2 = 46 Para 1m/s y 30º
𝐾 = 29,842 ∗1"4
1,1562(0,663)2 = 1515,8 Para 1m/s y 15º
𝐾 = 29,842 ∗1"4
1,1562(0,078)2 = 109509,8 Para 1m/s y 5º
Ahora se presentan los resultados tabulados para su respectiva gráfica.
Ángulo Caudal Q Coeficiente de flujo (Kv)
K
45º 1,9922 (m^3/h) 12,5249 (m^3/h)/(bar)
4,247
30º 1,49148(m^3/h) 4,2823 (m^3/h)/(bar)
46
15º 0,99612(m^3/h) 0,9961 (m^3/h)/(bar)
1515,8
5º 0,489(m^3/h) 0,1723 (m^3/h)/(bar)
109509,8
Tabla 6: Valor de coeficiente K para 1 m/s.
𝐾 = 29.842 ∗1"4
1,1562(12,825)2 = 4,051 Para 2 m/s y 45º
𝐾 = 29.842 ∗1"4
1,1562(3,73)2 = 58,67 Para 2 m/s y 30º
76
𝐾 = 29.842 ∗1"4
1,1562(0,663)2 = 1515,8 Para 2 m/s y 15º
𝐾 = 29.842 ∗1"4
1,1562(0,078)2 = 109509,8 Para 2 m/s y 5º
Ángulo Caudal Q Coeficiente de flujo (Kv)
K
0º 3,984 (m^3/h) 12,825 (m^3/h)/(bar)
4,051
15º 2,988 (m^3/h) 4,21 (m^3/h)/(bar) 58,7
30º 1,992 (m^3/h) 0,996 (m^3/h)/(bar)
1515,8
40º 0,996 (m^3/h) 0,1757 (m^3/h)/(bar)
109509,8
Tabla 7: Valor de coeficiente K para 2 m/s.
Con los datos anteriores se procede a la realización de la gráfica de ángulo de apertura
vs Kv, de caudal de flujo vs Kv para cada una de las velocidades trabajadas con la
finalidad de realizar su análisis y concluir apartados importantes, seguido a esto se
procede a la realización de las gráficas de K y Kv vs ángulo de apertura y vs caudal de
flujo para 1 m/s y 2 m/s para evidenciar y comprobar la relación existente entre las
variables ya mencionadas.
8.2.4 GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA.
Se presentan las gráficas mencionadas anteriormente y su análisis pertinente, así:
77
Figura 60 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 1 m/s.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 61 Grafica de Kv vs caudal a 1 m/s.
12,5249
3,81
0,6630,078
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Co
efi
cie
nte
de
flu
jo K
v (m
^3/h
)/(b
ar)
Angulo de apertura en grados
GRÁFICA DE KV VS ÁNGULO DE APERTURA A 1 M/S
12,5249
3,81
0,6630,078
0
2
4
6
8
10
12
14
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Co
efi
cie
nte
de
flu
jo K
v (m
^3/h
)/(b
ar)
Caudal m^3/h
GRÁFICA DE KV VS CAUDAL A 1 M/S
78
Fuente: Elaboración propia.
Figura 62 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 2 m/s.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 63. Grafica de Kv vs caudal a 2 m/s.
Fuente: Elaboración propia.
12,825
3,73
0,6630,078
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Co
efi
cie
nte
de
flu
jo K
v (m
^3/h
)/(b
ar)
Angulo de apertura en grados
GRÁFICA DE KV VS ÁNGULO DE APERURA A 2 M/S
12,825
3,73
0,6630,078
0
2
4
6
8
10
12
14
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Co
efi
cie
nte
de
flu
jo K
v (m
^3/h
)/(b
ar)
Caudal m^3/h
GRÁFICA DE KV VS CAUDAL A 2 M/S
79
Gracias a las gráficas anteriormente mostradas, es posible ver que el coeficiente de flujo
disminuye con la reducción de la apertura de la válvula de bola, lo anterior se debe a
que entre mayor sea el valor del coeficiente de flujo, menores serán las perdidas
energéticas, lo anterior demostrado numéricamente en el cálculo de K y ampliado
posteriormente con las gráficas que relacionan K con KV, y por ende la válvula se
comportara de mejor manera y se aprovechara al máximo la energía para su aplicación
si se encuentra totalmente abierta, esto sin importar el caudal entrante a la misma, ya
que así se maneje un mayor caudal a la entrada de la válvula tendrá el mismo
comportamiento, tal y como se mostró en las figuras 64 y 66, es decir que mientras el
caudal aumente y el ángulo de apertura asimismo el coeficiente de flujo será mayor y
por tanto las perdidas energéticas serán menores.
También es importante aclarar que como la válvula de bola es un elemento diseñado
para trabajar con apertura completa o totalmente cerrada se puede observar una caída
de presión muy elevada cuando el ángulo de apertura es bajo, esto puede deberse a el
rozamiento del fluido con las paredes exteriores de la bola, produciendo fricción, calor,
devolución del fluido cuando no alcanza a entrar a la bola y velocidades excesivas al
interior de esta que pueden generar alto grado de desgaste con el paso del tiempo y del
aumento de la velocidad que se genere a la entrada de la válvula, es decir con las
modificaciones del caudal que ingresa por la válvula.
Figura 64. Relación entre Kv y en ángulo de apertura de una válvula de bola.
Fuente: Elaboración propia.
Al ver las dos graficas superpuestas se comprueba lo explicado en el apartado anterior
de forma numérica, que así exista una variación en el caudal los valores del Kv están
ligados al ángulo de apertura de la bola, y estos por más grande que pueda ser la caída
12,5249
3,81
0,663
0,078
12,825
3,729
0,6630,078
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
CO
EFIC
IEN
TE D
E FL
UJO
KV
(M
^3/H
)/(B
AR
)
ÁNGULO DE APERTURA EN GRADOS
RELACION ENTRE KV Y EL ANGULODE APERTURA DE LA VALVULA
80
de presión, son constantes debido a la relación de inversa proporcionalidad que se
encuentra con el caudal presente a la entrada de la válvula, por tanto es posible decir
que una válvula de bola se comporta de la misma manera sin importar la velocidad de
entrada a la misma, ya que en realidad el coeficiente de flujo que se tiene será el mismo.
A continuación, se presentas las gráficas de relación entre Kv y K para observar el
comportamiento de estas dos variables cuando es cambiado el caudal entrante y el
ángulo de apertura de la válvula. Para que sea posible la visualización de los valores de
K y de Kv al mismo tiempo se dividirán los valores de K en 1000, ya que lo buscado
realmente es observar el comportamiento de las variables.
Figura 65. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 1 m/s
Fuente: Elaboración propia.
0,0042470,046
1,5158
109,5098
12,5249
3,810,6630,078
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Angulo de apertura en grados
GRÁFICA DE K Y KV VS ÁNGULLO DE APERTURA PARA 1M/S
K
KV
81
Figura 66. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 2 m/s
Fuente: Elaboración propia.
Figura 67. Relación entre Kv y K en el caudal para 1 m/s
Fuente: Elaboración propia
0,004051
0,0587
1,5158
109,5098
12,8253,73
0,6630,078
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Angulo de apertura| en grados
GRÁFICA DE K Y KV VS ÁNGULLO DE APERTURAPARA 2M/S
K
KV
0,004247
0,0461,5158
109,5098
12,52493,81
0,6630,078
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Caudal en m^3/ h
GRÁFICA DE K Y KV VS CAUDALPARA 1M/S
K
KV
82
Figura 68. Relación entre Kv y K en el caudal para 2 m/s
Fuente: Elaboración propia
Como se observa en las figuras 68, 69, 70 y 71 y como se explica dentro del marco
teórico el coeficiente de flujo Kv y el parámetro K tienen una relación de proporcionalidad
inversa, es decir que mientras el valor de K se acerca más a cero el coeficiente de flujo
se ira acercando hacia al infinito, ya que entre menos perdidas energéticas se tengan
(mostradas como los valores de K en pérdidas de carga) el KV de la válvula aumentara
y por tanto la válvula de bola se comportara de mejor manera en su aplicación, es decir
cumplirá con el objetivo que se tenga. Pero inversamente si K va tendiendo a infinito, es
decir, si el grado de pérdida energética aumenta el coeficiente de flujo disminuirá tanto
que estará muy cercano a cero mostrando que la válvula en ese punto no cuenta con
buena operatividad, esto se muestra cuando se va cerrando la válvula, es decir cuando
se está disminuyendo el ángulo de apertura, ya que cuando esto sucede, sin importar el
caudal entrante a la válvula el valor de K aumenta considerablemente llegando a un tope
muy elevado, mientras que el valor de Kv cada vez se acerca más a cero, pero la
situación cambia con el caudal entrante a la bola permitido por las variaciones de los
ángulos de apertura, ya que entre más caudal entre a la bola, es decir, cuando el ángulo
de apertura sea máximo el comportamiento de la válvula es óptimo, ya que cuenta con
un mínimo grado de perdidas energéticas y de desgaste y por ende con un Kv en su
punto máximo de aplicación.
0,004051
0,05871,5158
109,5098
12,8253,73
0,6630,078
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Caudal en m^3/h
GRÁFICA DE K Y KV VS CAUDALPARA 2M/S
K
KV
83
9. CONCLUSIONES
Se realizó un análisis paramétrico de la caída de presión sobre una válvula de
bola, al variar el ángulo de apertura de la misma, manteniendo una velocidad de
entrada constante, y por tanto generando cambios en el caudal entrante a la bola,
obteniendo como resultado transformaciones cualitativas y cuantitativas en la
caída de la presión, y variaciones cualitativas en la velocidad para la observación
del fenómeno de flujo al modificar los datos de diseño.
Se generaron cambios en el caudal entrante a la válvula con variaciones en la
velocidad de entrada, se trabajó una velocidad de 1m/s y una de 2m/s,
encontrando que sin importar el caudal que entre a la válvula esta se comportara
de la misma manera debido a la relación que se encuentra entre el Kv y Q, es
decir, con un caudal variable en la entrada de la válvula, se obtiene aun así un
Kv constante.
Fue posible establecer los parámetros de entrada a la simulación para cada uno
de los casos de estudio al modificar los ángulos de apertura de la válvula de 45°,
30°, 15°y 5°, tomando estos valores como los puntos de interés y los parámetros
como los rangos más utilizados en el diseño de válvulas, encontrando como
resultado cuatro análisis completos en cuanto a su estudio para la posterior
creación de graficas a partir de la veracidad de los datos obtenidos.
Se realizaron las 4 simulaciones de los parámetros definidos con la herramienta
de ingeniería ANSYS, para las dos velocidades de flujo a la entrada de la válvula
trabajadas obteniendo como resultados Gráficas ilustrativas de flujo, velocidad y
presión, para el cálculo del coeficiente de flujo de la válvula de bola y su
esquematización mediante las gráficas establecidas para comparaciones.
Se observó que al generar las gráficas de Angulo de apertura vs Kv y de caudal
de flujo vs Kv, se evidencia el mejor punto de operación de la válvula, el cual es
cuando la válvula está en su totalidad abierta, y la bola está recibiendo el mayor
caudal posible con las condiciones de velocidad inicial que se establezcan,
además de lo anterior se confirma que la válvula de bola no es un tipo de válvula
que se debe utilizar como reguladora de caudal, debido a que demasiado uso de
esa manera no genera un buen comportamiento del accesorio y por excesivo
rozamiento es posible que se generen daños sobre la bola debido al desgaste
excesivo entre fluido y volumen de control por donde este transita.
Al estudiar el comportamiento de las perdidas energéticas y del coeficiente de
flujo mediante graficas fue posible mostrar que el parámetro de perdidas K se
comporta de manera inversa con Kv, ya que la válvula encuentra su mejor punto
de operación cuando K es mínimo y Kv es máximo, para el caso de la válvula
cuando el ángulo de apertura es máximo.
Los parámetros utilizados fueron claros al momento de la realización de las
simulaciones, ya que estos se acercaron a los valores de trabajo real de la
válvula, y gracias a esto las simulaciones fueron posibles, y los valores obtenidos
se encuentran acorde a lo esperado aunque la geometría de la válvula complica
en cierta medida el estudio en los bordes.
84
10. RECOMENDACIONES
El uso del software de ingeniería ANSYS, que es de gran apoyo a la enseñanza
durante la tecnología e ingeniería mecánica podría ser instruido a los estudiantes
mediante cursos o metodologías de enseñanza de elementos finitos MEF, junto
con el entorno de CFD para los estudiantes que cursen la materia de mecánica
de fluidos y máquinas hidráulicas dando bases para la realización de proyectos
de investigación o semilleros en el futuro que se encuentren centrados en la
temática del estudio de fluidos mediante esta herramienta.
También se considera apropiado la caracterización de diferentes accesorios de
la mecánica de fluidos a los estudiantes mediante el software modificando
variables como presión y velocidad, para evidenciar el comportamiento de estos
en un entorno acercado a la operación real de los objetos, en especial de las
válvulas y de los sistemas de transporte de agua.
85
11. BIBLIOGRAFÍA
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velocidad absoluta en la descarga de un cangilón de una rueda pelton,
variando el ángulo de descarga por medio de elementos finitos”
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el interior de válvulas”. Universidad Nacional Autónoma de México
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una válvula de esfera mediante CFD con validación experimental”.
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17. Link de descarga modelo de valvula, Disponible en <
https://grabcad.com/library/ball-valve-84>