Hidráulica de los sistemas de tuberías (4ª PARTE)

Ver 3ª PARTE

a.      Válvulas de control

La selección de válvulas de control del tipo o tamaño equivocado puede dar como resultado un pobre rendimiento, severos transitorios, y reparaciones frecuentes. La selección de válvulas de control apropiadas requiere comprender varios tipos de válvulas de control y analizar cómo funcionan como parte del sistema en el que se instalan. Una válvula de control que opera satisfactoriamente en un sistema puede ser totalmente inadecuada en otro. Cada tipo de válvula tiene características únicas que dan ventajas o desventajas comparadas con las otras. Las características de las válvulas de control que describen su rendimiento hidráulico y que serían considerados en el proceso de selección incluyen:

1.       Características de apertura, es decir, velocidad contra datos de posición del disco.

2.       Velocidad requerida para abrir completamente y firmemente el asiento del disco.

3.       Caída de presión en caudal máximo.

4.       Estabilidad del disco en aperturas parciales.

5.       Sensibilidad del movimiento del disco ante perturbaciones aguas arriba.

6.       Velocidad del cierre de la válvula comparado con la tasa de inversión de caudal del sistema.

La estabilidad del disco varía con el caudal, posición del disco, y perturbaciones aguas arriba y es un factor importante para determinar la vida útil de una válvula de control. Para la mayoría de las aplicaciones es preferible dimensionar la válvula de control de forma que el disco esté completamente abierto y firmemente el asiento trasero en caudales normales. Uno de los peores errores de diseño es sobredimensionar la válvula de control de forma que quede localizada justamente aguas abajo desde una perturbación tal como una bomba, codo, o válvula de control. Si el disco no está completamente abierto, estará sujeto a severos movimientos que aceleren el desgaste. Para evitar este problema, puede ser necesario seleccionar una válvula de control que es más pequeña que el tamaño de la tubería.

La elevación de la presión transitoria generada en el cierre de una válvula de control es otra consideración importante. La elevación de la presión es una función de lo rápido que se cierra el disco de la válvula comparado con lo rápido que el flujo en el sistema se invierte. La velocidad a la que el flujo en el sistema se invierte depende del sistema. En sistemas donde tienen lugar rápidas inversiones, el disco puede cerrar de golpe causando un transitorio de presión.

La velocidad de cierre de una válvula viene determinada por la masa del disco, las fuerzas cerrando el disco, y la distancia de desplazamiento desde completamente abierto a cerrado. Las válvulas de cierre rápido tienen las siguientes propiedades: el disco (incluyendo todas las partas móviles) es de peso ligero, el cierre es asistido por resortes, y la carrera completa del disco es corto. Las válvulas de retención de charnela son las válvulas de cierre más lento debido a que violan todos estos criterios, es decir, tienen discos pesados, no tienen resortes, y desplazamientos del disco largos. La válvula de control de tobera es una de las válvulas de cierre más rápido debido a que el elemento de cierre es ligero, de resorte cargado, y tiene un recorrido corto. Las válvulas de retención silenciosas, dúo, puerta doble y horizontal con resortes son similares a las válvulas de boquilla en sus tiempos de cierre, principalmente debido a la fuerza de cierre del resorte.

Los sistemas donde ocurre una rápida inversión de caudal incluyen bombas en paralelo, donde una bomba para mientras las otras aún están operando, y sistemas que tienen cámaras de aire o depósitos surge se cierran en la válvula de retención. Para estos sistemas hay una alta fuente de energía aguas debajo de la válvula de retención para hacer que el caudal se invierta rápidamente. Cuando el disco está cerca de su asiento, comienza a restringir el caudal inverso. Esto acumula presión, acelera el disco, y recorridos en el asiento. Sustituyendo una válvula de retención de swing de cierre lento por una válvula de retención de acción rápida puede conseguirse una dramática reducción de las presiones transitorias.

b.      Válvulas de aire

Hay tres tipos de válvulas de aire automáticas: (1) válvulas de aire/vacío, (2) válvulas de liberación de aire, y (3) válvulas de combinación. La válvula de aire/vacío está diseñada para liberar aire mientras que la tubería está llena y admite aire cuando la tubería está siendo drenada. La válvula debe ser lo bastante grande como pueda admitirse. La válvula debe ser bastante grande como para admitir y expulsar grandes cantidades de aire en un diferencial de baja presión. El orificio de salida es generalmente del mismo diámetro que la tubería de entrada.

Estas válvulas típicamente contienen un flotador, que eleva y cierra el orificio cuando el cuerpo de la válvula se llena con agua. Una vez la línea se ha presurizado, este tipo de válvula no puede reabrirse para quitar aire que puede subsecuentemente acumularse hasta que la presión es negativa, permitiendo que el flotador caiga. Si la presión es negativa durante un transitorio o durante el drenaje, el flotador cae y admite aire en la línea. Para estas tuberías de pared delgada que pueden colapsar bajo vacíos internos, las válvulas de aire/vacío se dimensionarán para una rotura total de la tubería en la elevación de la tubería más baja. La válvula de vacío debe suministrar un caudal de aire igual a la máxima tasa de drenaje del agua de la rotura de la tubería y en una presión de la tubería interna por encima de la presión de colapso de la tubería.

El factor crítico para dimensionar válvulas de aire/vacío es usualmente el caudal de aire para proteger la tubería de una rotura total de la tubería.

Las válvulas de liberación de aire contienen un pequeño orificio y están diseñadas para liberar pequeñas cantidades de aire presurizado que queda atrapado durante el llenado y que se acumula después del relleno y presurización total. El orificio pequeño es controlado por un émbolo activado por un flotador en el extremo del brazo de la palanca. Ya que el aire se acumula en el cuerpo de la válvula, el flotador cae y abre el orificio. Cuando el aire es expulsado, el flotador se eleva y cierra el orificio. El dimensionado de las válvulas de liberación de aire requiere una estimación de la cantidad de aire presurizado que debe ser expulsado. Esto es determinado por el procedimiento de relleno y cualquier fuente de aire que pueda ser admitida en la tubería o ser desgasificada del líquido durante la operación.

La válvula de combinación es actualmente dos válvulas: una válvula grande que funciona como válvula aire/vacío y una pequeña que funciona como válvula de liberación de aire. La instalación puede consistir en una válvula aire/vacío y una válvula de liberación de aire sondeado en paralelo, o las dos pueden ser alojadas en un cuerpo de válvula simple. La mayoría de las instalaciones de válvula de aire requieren válvulas de combinación.

Una precaución es que la liberación manual de aire debe evitarse debido a que una operación inapropiada puede ser muy peligrosa. Si el sistema es presurizado con válvulas de aire manual cerradas, el aire atrapado será presurizado a la presión total del sistema. Cuando la válvula de aire se abre manualmente, la liberación del aire presurizado puede causar la rápida aceleración del líquido y generar serios transitorios cuando el agua decelera cuando golpea la válvula de aire. Si se instalan válvulas de aire manuales, serán muy pequeñas para que la tasa de liberación de aire se controle a un nivel seguro.

La localización de válvulas de aire en un sistema de tuberías depende del perfil de la tubería, la longitud de tubería, y caudales. Preferiblemente, las tuberías se colocarán de forma que las válvulas se sitúen en los puntos altos o a intervalos si no hay puntos altos.

La velocidad del caudal durante el llenado es importante. Una forma segura de rellenar la tubería es limitar la tasa de relleno inicial a una velocidad de caudal promedio de alrededor de 0,3 m/s hasta que la mayoría del aire es liberado y las válvulas de vacío se cierran. El siguiente paso es impulsar el sistema a alrededor de 1 m/s, a una presión del sistema baja, para impulsar el aire restante a una válvula de liberación de aire. Es importante que el sistema no sea presurizado hasta que se haya retirado el aire. Permitiendo que grandes cantidades de aire bajo alta presión se acumulen y se muevan a través de la tubería es probable que se generen transitorios severos.

Ver 5ª PARTE