Válvulas hidráulicas automáticas en redes de transporte y abastecimiento. Principio de

funcionamiento, criterios de diseño y aplicaciones de control y seguridad

Santi Singla Font

Ingeniero Agrónomo - Postgrado en Ingeniería hidráulica

Product Manager de Regaber e Hidroglobal. Consultor técnico Dorot Control Valves

santisingla@regaber.com

Introducción

El diseño de redes hidráulicas presurizadas para infraestructuras de distribución de agua no se limita a la elección óptima del diámetro y material de la red de conducciones, a las estaciones de bombeo o a las dimensiones y cotas de los depósitos.

Una vez diseñados estos elementos principales generalmente nos encontraremos que en redes mínimamente complejas -ya sean ramificadas, malladas o mixtas- las presiones y caudales son superiores o inferiores a los deseados. Esto es así porque el dimensionamiento de estos elementos se hace en base a rangos objetivos (presión mínima/presión máxima, caudal mínimo/caudal máximo, etc.) o bien los diseños vienen condicionados por puntos críticos del sistema que des optimizan todo el sistema. Esto es habitual tanto en redes de abastecimiento de agua potable como redes de riego en que la orografía obliga a que para que un determinado punto de suministro tenga una presión mínima, el resto de tomas tengan una presión mucho más alta de la deseada.

Por otro lado estos elementos principales están diseñados generalmente considerando condiciones normales de trabajo. Si se producen roturas de conducciones principales, paradas no contraladas de las bombas, cierre de sectores por emergencias -entre otros casos- las consecuencias pueden provocar graves daños a la red o incluso al entorno –inundaciones-.

Es necesario por tanto garantizar que el sistema va a funcionar bajo cualquier circunstancia y en las condiciones específicas que se requieran en cada momento. Para conseguir esto, se precisan ciertos dispositivos que permiten regular y controlar dicha red de distribución. Para hacer una fácil analogía, podríamos decir que las carreteras necesitan vías de incorporación, de frenado, límites de velocidad, etc. para poder garantizar un tráfico fluido y seguro.

De los dispositivos mencionados, son las válvulas los elementos cada vez más utilizados para realizar estas funciones de maniobra, regulación, control y protección.

Veamos a continuación algunos tipos de válvulas:

Figura 1. Tipología de válvulas

De forma general podemos decir que las válvulas de mariposa y de compuerta se utilizan generalmente para operaciones de cierre y apertura (manual o eléctrica) y que las válvulas hidráulicas se suelen utilizar en funciones de cierre, apertura y regulación.

Cuando deseamos que dichas válvulas no dependan de energía externa (eléctrica, aire comprimido, etc.) o bien que dicha válvula se posicione en puntos intermedios entre la apertura total y el cierre para proporcionar una resistencia variable al flujo, las hidráulicas son las que progresivamente se van utilizando más gracias a sus prestaciones, flexibilidad y fiabilidad. Su coste no es elevado hasta diámetros de alrededor 700/800 mm si las comparamos con válvulas de compuerta o mariposa (añadiendo el coste de los motores, posicionadores 4-20 mA, suministro eléctrico, mantenimiento, etc.).

Su utilización permite solventar gran variedad de funciones de control, regulación y seguridad generalmente necesarias en las redes hidráulicas presurizadas.

Veamos a continuación algunos ejemplos que desarrollaremos parcialmente más adelante:

- Control de las presiones (reductoras de presión, sostenedoras de presión)

- Control de depósitos (evitar su desbordamiento, evitar su vaciado, adecuar el caudal de alimentación a la demanda, etc.)

- Control de caudales

- Protección de los sistemas contra golpes de ariete

- Control de sobre presiones por condiciones de trabajo de las bombas

- Estabilización de redes (llenados de depósitos controlados, garantizar presión o caudal en toda la red)

- Sistemas de protección contra inundaciones

- Optimización de bombeos

- Reducción de fugas en redes de distribución de agua

Utilidad y principio de funcionamiento

Cometido de la válvula hidráulica automática en un sistema

Para realizar estas funciones las válvulas se ubicarán en la red para controlar uno de los siguientes parámetros hidráulicos:

- La presión aguas arriba de la válvula - La presión aguas abajo de la válvula - El caudal que circula a través de la válvula

P1P2

Q

El dispositivo de control más sencillo consiste en una placa perforada.

Figura 2. Esquema de una placa de orificio

Su pérdida de carga será igual a la resistencia (K) por el Caudal al cuadrado:

P=K x Q2

P = P1-P2 – Pérdidas

K (Resistencia)

Obviamente, la modificación de uno de los parámetros provocará cambios en el resto de parámetro y el la placa orificio no podrá mantener fijo ningún parámetro si hay variaciones en otro.

Si consideramos ahora una válvula manual donde la resistencia (Kn) es ajustable.

P = Kn • Q2

Figura 3. Esquema de una válvula de regulación manual

Si queremos mantener fijo uno de los parámetros siendo variable alguno de los otros –por ejemplo variación de la demanda o de la presión de entrada-, el dispositivo requiere presencia permanente del operador.

No se puede usar en sistemas donde pueda haber cambios rápidos en los parámetros hidráulicos porque la reacción del operador es demasiado lenta.

La calidad de la regulación dependerá de la habilidad y disponibilidad del operador.

Válvulas de control automático

Si consideramos ahora válvulas de control automático podemos clasificarlas en válvulas que requieren energía externa o bien válvulas hidráulicas que utilizan la propia energía de la red.

Figura 4. Comparación de válvulas automáticas

Principio de funcionamiento de las válvulas hidráulicas

Como utilizan las válvulas hidráulicas la presión de la red

Como hemos dicho anteriormente las válvulas hidráulicas no necesitan energía externa sino que aprovechan la presión de la red para modificar su posición.

Apertura de la válvula

De forma simplificada -consideraremos P2=0 aunque en cualquier caso si consideramos P2 diferente de 0, siempre P2

< P1 y por tanto las afirmaciones continuarían siendo ciertas- podemos decir que la fuerza que lleva a la válvula a abrir (cuando comunicamos la cámara de control con la atmósfera) es:

a= sección del dispositivo de cierre

A = sección del diafragma/ membrana o de la base del cilindro

Figura 5. Esquema simplificado del balance de fuerzas en una válvula abriendo

Fapertura=P1 a

Fcierre= Patm x A + Peso del dispositivo = 0 x A + Peso

La válvula abrirá si (P1 a) > Peso del dispositivo

Cada válvula hidráulica tendrá una presión mínima P1 necesaria para vencer el peso del dispositivo. Dependerá lógicamente del peso del dispositivo de cierre y de la superficie del asiento y de las resistencias mecánicas al movimiento.

En el caso de la S300 de Dorot/Regaber -para que tengamos un orden de magnitud- es de 0,2 bar aproximadamente para todos los diámetros.

Cierre de la válvula

De forma simplificada (consideremos P2=0) podemos decir que la fuerza que lleva a la válvula a cerrar (cuando comunicamos la cámara de control con la presión de entrada) es:

Fapertura=P1 a

Fcierre= P1 x A + Peso del dispositivo

Como A > a, independientemente del peso del dispositivo, la válvula cerrará herméticamente.

a= sección del dispositivo de cierre

A = sección del diafragma/ membrana o de la base del cilindro

Figura 6. Esquema simplificado del balance de fuerzas en una válvula cerrando

Cuando la válvula desarrolla una función de regulación, esta se posiciona aumentando o disminuyendo el volumen en la cámara de control. Si llenamos la cámara de control al máximo la válvula está cerrada, si vaciamos completamente la cámara de control, la válvula estará completamente abierta.

El control del volumen de la cámara de control lo realizará el circuito de control que como veremos más adelante puede tener varios principios de actuación. En cualquier caso estos dispositivos de control comunican la cámara de control con la atmósfera (cuando quieren aumentar el porcentaje de apertura de la válvula), comunican la cámara de control con la presión de entrada (cuando quieren disminuir el porcentaje de apertura de la válvula) o aíslan la cámara (mantienen la última posición de la válvula).

Tomemos un ejemplo para entender cómo actúan los circuitos de control, es decir, los elementos que dan “inteligencia” a la válvula hidráulica.

Supongamos una válvula reductora que ha sido tarada a 5 bar. Es decir que independientemente de la presión de entrada y del caudal circulante la válvula mantendrá una presión igual o inferior (inferior cuando la presión de entrada sea inferior a la consigna.

Pues bien, supongamos que la presión de entrada es de 7 bar, el caudal es 200 m3/h y la válvula es DN 150 mm.

La válvula se encontrará en la siguiente situación (utilizaremos las características de la válvula S300 de Dorot/Regaber).

Porcentaje de apertura 42%. Así que aproximadamente el volumen de cámara será del 42% del total.

Si de repente disminuye la demanda a 100 m3/h nos encontraremos en la siguiente situación:

Porcentaje de apertura 21%.

Por tanto el dispositivo de control, frente a este cambio, ha llenado la cámara de control para alcanzar un volumen de un 21% respecto al total; momento en que ha bloqueado el volumen de cámara para mantener la válvula en esa posición, que es la adecuada para mantener 5 bar aguas abajo de la válvula en las condiciones que hemos establecido.

La resistencia Kn puede tomar desde su valor máximo determinado en laboratorio (Kv) hasta el infinito (válvula cerrada).

Figura 7. Relación entre el porcentaje de apertura de la válvula hidráulica y el cociente resistencia Kn/Resistencia mínima Kv.

Circuito de control de la válvula hidráulica

Existen diversas opciones para el sistema de control de la válvula. Lo más habitual son los pilotos hidromecánicos (combinables, si es necesario, entre ellos) aunque cada vez se utiliza más el pilotaje electrónico (Condor, PLC’s, etc.) o combinaciones de ambos sistemas.

Control mediante pilotos hidromecánicos

Los pilotos hidromecánicos tienen la ventaja de que no necesitan ninguna energía externa y que operan automáticamente una vez tarados. Su precisión depende de su diseño y calidad pero en el mejor de los casos suelen tener precisiones de 2-5% respecto a su consigna (excepto los pilotos de control de nivel que tienen una precisión exacta por ser un límite mecánico).

Dichos pilotos funcionan como pequeñas válvulas que controlan el volumen de la válvula principal.

Ps

Ps

Ps PSalida<PConsigna PSalida>PConsigna PSalida=PConsigna

Figura 8. Posicionamiento de un piloto hidromecánico en función de la presión aguas abajo de una válvula reductora

Control electrónico

El control electrónico permite una mayor precisión y tiene más flexibilidad en prestaciones. Por ejemplo permite un control remoto a distancia o bien una función específica que varíe su consigna respecto al tiempo o a cualquier otro parámetro no hidráulico.

Su limitación es que necesitan alimentación eléctrica (placa solar o alimentación de red) aunque algunos fabricantes trabajan intensamente en desarrollar controladores de bajo consumo eléctrico.

Es muy utilizado por ejemplo en reducción de presión en función del caudal permitiendo así optimizar la presión de las redes aumentando mucho su rendimiento (reducción de fugas y frecuencia de rotura). También es muy utilizado en mezcla de agua de diferente salinidad o en limitación de caudal con valores variables (entrada a una ETAP, EDAR, etc.) o el control de niveles en valores variables en el tiempo.

Su funcionamiento se basa en un controlador diseñado para gobernar válvulas hidráulicas. Este controlador, de acuerdo a los programas preestablecidos emite pulsos de longitud variable a dos solenoides (uno de ellos produce una maniobra de cierre y el otro de apertura). Dependiendo de las funciones necesitará más o menos señales de entrada y salida. Un controlador que desempeñe una función de limitación de caudal mediante consigna remota necesitará al menos una señal 4-20 mA o de pulsos de un caudalímetro y una señal 4-20 mA de señal remota de consigna.

Figura 9. Esquema simplificado de una válvula hidráulica controlada por un PLC Condor

Criterios de diseño

Velocidades y pérdidas de carga admisibles para el sistema

Unos de los primeros criterios a tener en cuenta es el caudal máximo y mínimo que circulará por la válvula de regulación. Cada fabricante recomienda una velocidad máxima según sea una válvula instalada en línea –funciones de control y regulación- o bien instalada en derivación – funciones generalmente de seguridad-. Este caudal máximo será aquel que no genere daños por erosión en la válvula en el largo plazo.

Veamos aquí un ejemplo de velocidades máximas de un fabricante:

Figura 10. Caracterización hidráulica de las válvulas S300 de Dorot/Regaber

Vemos en el cuadro como las velocidades máximas en aplicaciones donde la válvula opera permanentemente -aplicaciones en línea- es de 5,5 m/s y que para funciones intermitentes -en derivación- el caudal es de 15 m/s.

No obstante puede que el criterio de dimensionado respecto al caudal máximo no lo marque el límite de resistencia de la válvula sino la pérdida de carga máxima admisible.

Pongamos por ejemplo una válvula anti rotura o también llamada de sobre velocidad en un sistema de trasvase entre dos depósitos por gravedad. La válvula deberá permanecer abierta a menos que haya una rotura de la tubería (alto caudal) donde la válvula deberá cerrar completamente para evitar el vaciado del depósito de cabecera o una inundación. En este caso es posible que no nos convenga tener una pérdida de carga demasiado alta en la válvula (que normalmente debe estar abierta) para no restar capacidad de transporte al sistema. En este caso seleccionaremos un diámetro que no tenga una pérdida de carga superior a pongamos 3 mca. en el caudal normal de trasvase.

Para determinar la pérdida de carga de cada diámetro utilizaremos el valor de Kv que debe facilitar el fabricante.

La Kv puede interpretarse como el caudal que circula por la válvula totalmente abierta provocando una pérdida de carga = 1 bar y es el coeficiente que nos da la capacidad hidráulica del elemento.

Supongamos por ejemplo que el caudal normal circulante es de 400 l/s (1440 m3/h). La Kv de la válvula del cuadro anterior es Kv= 3300 para DN 500 mm.

0,19 bar = 1.9 mca

Probamos con DN 400 mm (Kv= 2600)

0,23 bar = 2.3 mca

Seleccionaríamos siguiendo este criterio y estas hipótesis una válvula DN 400 mm para el caudal de 400 l/s y función anti rotura (la válvula DN 350 daría una pdc superior a 3 mca).

Respecto al caudal mínimo existen limitaciones en varios tipos de válvulas hidráulicas. Esto es debido al cambio rápido en la sección de paso del agua en el último tramo del recorrido. Esto se traduce en que pequeños cambios en la posición del obturador crean grandes cambios en el caudal/presión (Kn) haciendo que sea muy difícil controlar el movimiento (el circuito de control tendrá también mucha influencia).

% T

RA

VE

L

% Flow

Figura 11. Representación de la curva de un obturador plano. Porcentaje de apertura respecto al porcentaje de caudal descargado para un diferencial de presión fijo

Algunos fabricantes han logrado desarrollar dispositivos de cierre capaces de eliminar esta limitación. El desarrollo se basa fundamentalmente en un asiento no plano que permite una relación adecuada entre Kn y el primer tramo de porcentaje de apertura de forma que la regulación sea estable (ver fig. 7).

Cavitación

El límite de regulación de presión viene determinado por el Coeficiente de cavitación destructiva que podemos expresar de la siguiente forma:

21

1

PP

PP

v

cσ

Para la serie 300 de Dorot/Regaber el valor es de 1,45. Este valor del coeficiente es específico para la serie 300 y cada fabricante debe suministrar este valor máximo de resistencia determinado en laboratorios especializados. Si las válvulas trabajan en coeficientes de cavitación menores, estas sufrirán daños irreversibles a corto plazo.

Para comprender mejor el fenómeno de la cavitación podemos expresar la ley de Bernouilli en una válvula en regulación de esta forma:

P1/r + v12/2g + Z1 = Ps/r + vs

2/2g + Zs = P2/r + v22/2g + Z2 + Δh

Cuando el flujo pasa a través del asiento (lugar de menor sección) hay un aumento significativo de la velocidad del flujo. Se produce un cambio de energía de presión (disminución de la presión en este punto P1>P2>Ps) a energía cinética (V1=V2<Vs). Si la presión en el asiento alcanza valores inferiores a la presión de vapor se genera vapor de agua en el asiento.

La recuperación de la presión genera la implosión del vapor. Si estas implosiones se producen en el cuerpo de la válvula puede producirse el daño en el elemento.

P1P2

Ps=Pv

P1

P2

Ps

x

ssurePre

VsV2=V1V1

Figura 12. Evolución de las presiones a través una válvula reguladora

Cuando las condiciones de regulación generan esta situación deben seleccionarse modelos con índices de cavitación destructiva muy bajos (alta resistencia a la cavitación).

Generalmente son válvulas que direccionan la implosión de vapor al centro de la vena líquida o bien contra materiales altamente resistentes.

La cavitación, por ejemplo en la S300 anti cavitación de Dorot/Regaber se produce en el interior de un cilindro de acero inoxidable; el material del cilindro es muy resistente a la cavitación y no presenta daños en las condiciones mencionadas anteriormente pudiendo regular en ratios de 20:1 (P1, 20 veces superior a P2 o Sigma= 1,1).

Figura 13. Esquema de una válvula con dispositivo anti cavitación

Presiones de trabajo

Las presiones de trabajo son importantes a la hora de determinar el modelo a seleccionar. Es importante tanto la presión mínima (presión dinámica) que determinará el uso o no de válvulas para baja presión (unos 0,2 bar) como la presión máxima de trabajo (estática o dinámica según el sistema) que determinará la presión de resistencia de la válvula.

Tipo de fluido

Las válvulas hidráulicas pueden utilizarse en variedad de fluidos como por ejemplo agua de mar, soluciones ácidas, fertilizantes, agua residual, etc. Deben tenerse en cuenta que los materiales sean resistentes a estos fluidos y que el modelo seleccionado sea adecuado para trabajar con fluidos con alto contenido en sólidos en suspensión si es el caso.

De forma general hablaremos que las válvulas hidráulicas pueden usarse para cualquier tipo de fluido compresible dentro de un cierto rango de temperaturas.

Cuestiones específicas de cada aplicación

En este apartado podríamos discutir criterios específicos para cada una de las decenas de funciones específicas que pueden presentarse en una red de transporte o abastecimiento de agua pero para no extenderme expondré algunos de los más comunes en varias aplicaciones.

Aplicaciones con descarga a la atmósfera

En este tipo de aplicaciones (válvulas de alivio, anticipadoras de onda, válvulas de llenado de depósito, etc.) tenemos una presión de salida igual a la atmosférica. Por ello, si la función es de regulación y la presión de entrada es considerable es probable que se presenten condiciones de cavitación destructivas. Es muy habitual el uso de placas de orificio (discos con una perforación de un diámetro determinado) para realizar una cierta contrapresión. Esto permite distribuir la disipación de energía entre una resistencia fija y una variable (la de la válvula hidráulica) y la distribuir las subidas de velocidad para generar la misma pérdida de carga.

Aplicaciones contra sobrepresiones en red

Este tipo de aplicaciones, generalmente válvulas de alivio o anticipadoras de onda deben tratarse de forma muy específica. Para determinar el diámetro y circuito de control adecuado debe simularse el sistema para

analizar el transitorio hidráulico y determinar la protección adecuada. Sobredimensionar una válvula anticipadora de onda puede ser tan peligroso como infra dimensionarla.

Para ello se suelen utilizar programas de simulación que permitan introducir elementos de protección como calderines, válvulas de alivio, válvulas anticipadoras de onda, ventosa, etc.

Uno de los software con más prestigio internacional es el modulo Surge Pipe 2010 de KYPipe que es el que utilizamos en Hidroglobal/Regaber pero existen muchos otros en el mercado. Es importante combinar el conocimiento teórico de la mecánica de fluidos con la experiencia para obtener resultados fiables.

Figura 14. Representación de la evolución de las presiones en la estación de bombeo tras paro incontrolado de las bombas obtenido mediante el módulo Surge de KYpipe

Válvulas en redes malladas o ramificadas

Cuando las válvulas hidráulicas son instaladas en redes ramificadas o malladas es conveniente simular el sistema hidráulico completo para verificar el comportamiento de toda la red. Para ello podemos utilizar software como el nombrado anteriormente (KYPIPE) u otro como Epanet, muy utilizado en España. Esto permite verificar si la función seleccionada está regulando la red de acuerdo a los objetivos.

Figura 15. Red de abastecimiento simulada en Epanet

Tendencia en aplicaciones Si bien muchas de las funciones habituales son muy conocidas por los profesionales de la hidráulica (válvulas reductoras de presión, válvulas de control de depósito, válvulas sostenedoras de presión, válvulas de sobre velocidad, electroválvulas hidráulicas, válvulas limitadoras de caudal, válvulas de control de bombeo, etc.) debido a la importancia cada vez mayor de la gestión eficiente del agua cada vez se están demandando y desarrollando funciones algo más complejas.

Veamos en este apartado un par de estas funciones menos conocidas actualmente pero que sin duda tomaran cada vez más importancia desde mi punto de vista.

Gestión de la presión para reducción de fugas en redes

Los beneficios más importantes del control de la presión en las redes de distribución son los siguientes:

Reduce las fugas ocultas y visibles

Reduce el consumo dependiente de la presión (este punto puede ser no deseado por algunas compañías de agua que tienen como objetivo el aumento de la facturación, pero estos consumos dependientes son muy poco significativos ya que la mayoría de consumos no están relacionados con la presión (un vaso de agua, lavadoras o lavaplatos, WC, etc.)

Reduce la frecuencia de roturas (existe una relación muy fuerte entre la presión y el número de roturas en las tuberías)

Suministro más constante al usuario

Protección de aparatos que toman presión de la red

Importancia del control de la presión en la reducción de fugas

Se considera el control de la presión como el segundo factor más influyente después del estado de la infraestructura; y lo qué es más importante, resulta el factor más eficiente en la relación de coste/beneficio.

El caudal de descarga en una fuga no se rige por la ecuación hidráulica general que relaciona el caudal con la diferencia de presión teniendo en cuenta el coeficiente de descarga:

dQ k dH

El efecto de agrandamiento de la fisura ha dado como ecuación experimental una relación lineal entre los parámetros de caudal y diferencia de presión (esta relación puede variar según las fuentes ):

dQ dH

Este coeficiente α puede variar entre 0,5 y 2,5 en función del material de la tubería, edad y el número de conexiones por kilómetro lineal de tubería fundamentalmente. Se toma en general como promedio el valor de α= 1,1.

Efecto de agrandamiento 

Baja presión

Alta presión

Esto significa que si reducimos en un 20% la presión en un área, el volumen de pérdidas se reducirá en un 22% de media.

Soluciones para el control de la presión

Presentamos a continuación un esquema simplificado de una red de distribución

Plantatratamiento

Bombas

Tub.principal

Área de demanda

Área de demanda

Usuarios

Usuarios

Contador

Valv. Decontrol

Valv. Decontrol

Valv. Decontrol

Figura 16. Esquema de una red de distribución

Es importante realizar una buena sectorización de la red para poder practicar un control activo de fugas y controlar la presión localmente en cada área y adaptarnos así a las características de la demanda y la presión de cada sector. Lógicamente, para poder hacer un buen diseño y control del cada sector será necesario monitorizar las variables del sistema:

- Caudal/volumen de entrada al sector

- Volumen facturado en el sector

- Presiones en puntos característicos de la red (sobre todo a la entrada del sector y en la toma de consumo del usuario más desfavorecido en presión)

Para hacer un buen manejo de la presión deberemos conseguir que la presión sea lo más baja posible siempre y cuando se garantice a todos los usuarios la presión mínima requerida.

Contador

Alta demandaReductora f(Q)

Presiónmínima

Baja demanda

Consigna Pmax

Consigna P min

Presionesintermedias

Múltiples consignas de presión - establecidasatomáticamente (por un controlador hidráulico oeléctrico) en función del caudal.

Figura 17. Regulación de la presión variable a la entrada del sector en función de la demanda. Presión constante en el punto crítico del sector manteniendo la presión del sector al valor mínimo posible

Solución electrónica

ENTER

AP AP

Acoplamos un controlador electrónico a una válvula hidráulica gobernada por dos solenoides y este controlador, mediante una entrada analógica de caudal y presión irá posicionando la válvula para mantener la presión adecuada en cada valor de caudal. Esta es una solución completa aunque la limitación estriba en que generalmente la electrónica necesitará alimentación.

Solución hidráulica

Estos modelos son capaces de regular la presión en función del caudal de forma automática y sin energía externa. Solo es necesaria la calibración en la puesta en marcha según las características de la red y una vez realizado el proceso, la válvula irá variando la presión en cabecera según el caudal y así compensará las pérdidas de carga de la red y mantendrá la presión en el punto crítico de forma constante y lo más baja posible.

Figura 18. Gráfico real de la presión de entrada en el sector, que va variando según la demanda (mayor presión de salida para mayor demanda)

Control del caudal en depósitos o embalses en descarga atmosférica

Este apartado estudia los problemas de controlar el caudal de alimentación, en depósitos, canales o embalses abiertos, cuando no se permiten caudales ilimitados y se propone una aplicación cada vez más solicitada como es el control de caudales y presiones en las entradas a depósitos (añadidos al control del nivel).

Supongamos una red de distribución de agua, presurizada por bombeo o por un depósito elevado que abastece varios depósitos. Las demandas de los depósitos se fijan de acuerdo al volumen de seguridad de cada población, polígono, sector de riego, etc. No obstante, los caudales de entrega sin regulación no dependen de las necesidades de los depósitos sino de las diferencias de cota de dichos depósitos y de la resistencia de las conducciones que los conectan. Es por ello generalmente necesario limitar los caudales de los depósitos más “favorecidos” para equilibrar los caudales de entrega a los depósitos.

Imaginemos una de las salidas de esta red, que alimenta un depósito de cota baja –mucha presión disponible-; mientras el depósito se llena supongamos a un caudal muy alto, la presión de la red puede caer por debajo del valor necesario para garantizar caudales al resto de depósitos (solo podemos llenar el resto de depósitos a caudales my bajos).

La que controla el nivel y previene el desborde del mismo se diseña para limitar el caudal de alimentación y para mantener la presión en la red.

Figura 19. Red de depósitos simulada en Epanet

Para realizar dicho con control podemos instalar una placa orificio y mantener un diferencial de presión constante independientemente de la presión aguas arriba de la válvula hidráulica de regulación.

Esta placa, debe ser instalada aguas abajo de la válvula, en la conducción de alimentación del depósito. La presión de salida de la placa (aguas abajo) vendrá determinada por el nivel del agua del depósito.

La presión de entrada de la placa (aguas arriba), será mantenida de forma constante, controlada por la válvula hidráulica.

Como la pérdida de carga generada por la placa orificio, es función (exponencial) del caudal, manteniendo contante dicha pérdida de carga, se mantendrá constante el caudal.

La válvula, además de las funciones de control de nivel, deberá ser configurada como reductora de presión para mantener este diferencial –o caudal indirectamente- fijo. El ajuste del piloto reductor de presión, estará determinando el caudal de llenado del depósito.

El “tradicional” control de caudal mediante un piloto diferencial, está limitado por el rango de trabajo impuesto por el muelle del piloto (generalmente de 2 a 5 mca). Como la pérdida de carga de la placa orificio es exponencial respecto al caudal, es posible incrementar el caudal deseado, aproximadamente a la raíz cuadrada del rango de trabajo del resorte. Para cualquier incremento mas allá de dicho valor, se necesitará cambiar la placa orificio original.

Veamos un ejemplo:

Suponiendo que el valor deseado de caudal sea de 100 m3/h y la placa orificio haya sido diseñada para generar una pérdida de carga de 2 metros a dicho caudal:

Si el rango de trabajo del piloto es de 2 a 5 metros, usando esta placa orificio, es posible alcanzar un caudal máximo de 100 x √(5/2) = 158m3/h.

Usando el concepto propuesto de mantener una presión fija de entrada al orificio, se permite un rango muy amplio de caudales, limitados solamente por la disponibilidad de presión aguas arriba de la válvula.

El único inconveniente en esta solución es el descenso drástico del nivel del depósito (depósitos con un diferencias entre el nivel máximo y mínimo pongamos superior a 4 o 5 metros de altura, lo cual puede resultar en un caudal excesivo de llenado, hasta que el nivel alcance un valor medio.

En caso que la válvula se encuentre instalada a una distancia considerable del depósito, la pérdida de carga de la conducción de conexión debe ser considerada y sumada a la pérdida de carga de la placa orificio. Debe tenerse en cuenta que la pérdida de carga provocada por este tramo de tubería, será afectada exponencialmente por el valor del caudal.

Condiciones de Cavitación

Restringir el caudal ocasiona siempre pérdida de carga y puede generar condiciones de cavitación. La solución propuesta, puede solucionar el problema. El orificio suele ser calculado para crear un diferencial de presión, lo cual aumenta la presión de salida de la válvula a valores seguros.

Continuemos con el ejemplo:

)

Figura 19. Esquema hidráulico del ejemplo planteado

Depósito de 3 metros de altura, abastecido por la red.

El caudal de llenado debe ser de 100 m3/h.

La válvula se instalará a 200 metros del depósito, conectada a una tubería de 150 mm de diámetro.

Al caudal de llenado, la presión de entrada de la válvula es de 55 mca (valor que obtendríamos simulando la red o realizando el cálculo de pérdidas de carga del camino que sigue el agua).

La pérdida de carga de la tubería al caudal especificado, es de 6 mca (CHW =100).

Cálculos

Las condiciones de operación de la válvula son:

σ= (P1-Pv)/(P1-P2)= (55-(-9)) / (55-3-6) = 1.39 (cavitación destructiva para modelos habituales)

Diseño del orificio de la placa, para generar 20 mca de pérdida de carga a para 100 m3/h. Diámetro interno: 54.4 mm.

Ajuste de la válvula: P2= 3+6+20= 29 m.

Condiciones de operación de la válvula:

σ= (P1-Pv)/ΔP= (55-(-9))/(55-P2)= 59/(55-(3+6+20))= 2.27 (valor seguro)

La válvula mantendrá un caudal de 100 m3/h, sin importar las variaciones en la presión de la red, producto de los cambios en la demanda en el resto del sistema.

Existe un amplio rango de ajuste del caudal, dado por el ajuste de la presión de salida de la válvula.

Comentario final

Hemos visto de forma general el principio de funcionamiento de las válvulas hidráulicas automáticas y algunas de sus aplicaciones. También hemos analizado someramente los principales criterios usados para su dimensionamiento y elección.

El terreno de las válvulas hidráulicas de regulación es muy amplio y a veces algo complejo por ser elementos que interactúan de forma dinámica en las redes hidráulicas. Creemos sin duda que su presencia no puede más que incrementar en el campo de las obras hidráulicas por ser elementos muy simples pero que pueden llevar a cabo funciones bastante complejas.

El incremento de su demanda hará que el mercado desarrolle mejoras e innovaciones en este tipo de válvulas. Actualmente ya se está trabajando en la integración de estos elementos en los sistemas de telecontrol de infraestructuras hidráulicas con los requerimientos que eso conlleva (controladores electrónicos especialmente diseñados para válvulas hidráulicas, capacidad de comunicación remota por radiofrecuencia, consumos eléctricos muy bajos para poder ser alimentados con baterías).

Si bien durante el siglo pasado las válvulas hidráulicas han ido substituyendo elementos tradicionales como las áquetas de rotura de carga, las chimeneas de equilibrio, obturadores de capota, etc. sospechamos que a partir de ahora la tendencia continuará pero paralela a una integración en los sistemas de tele gestión de las redes para mejorar el control y la eficiencia en redes presurizadas.