Vlavulasdepositos

CRITERIOS DE DISEÑO DE VÁLVULAS DE CONTROL DE DEPÓSITOS. Pedro Luis IGLESIAS REY1, Juan Angel SERRANO RODRÍGUEZ2, Vicente S. FUERTES MIQUEL, Fco. Javier MARTÍNEZ SOLANO Resumen Las válvulas son uno de los dispositivos principales para la regulación de sistemas de distribución de agua. El dimensionado del tamaño y características de una válvula debe realizarse de acuerdo a criterios tales como la cavitación, la maniobra de cierre de la válvula y su caracterización hidráulica. Las válvulas de control de depósitos son un tipo específico de elementos de control cuyo diseño debe abordarse de forma adecuada.

En este trabajo se abordan diferentes criterios para el diseño de válvulas de control de depósitos. Para ello se analiza un ejemplo genérico con cinco depósitos diferentes, buscando en cada uno de ellos la solución más adecuada. Se presentan así soluciones como el empleo de válvulas reductoras de presión, válvulas sostenedoras, válvulas proporcionales, placas orificio, etc. El resultado es una metodología para el diseño de este tipo de elementos de regulación.

Abstract The valves are one of the main devices for the regulation of systems of water distribution systems. Determining of the size and characteristics of a valve must be made according to criteria such as the cavitation, the maneuver closing time of the valve and its hydraulic characterization. Control valves in reservoirs are a specific type of control elements whose design must be approached of a suitable form.

In this work different criteria for the design of reservoir control valves are approached. Then a generic example with five different reservoir is analyzed, looking for in each one the suitable solution. In order to solve the problem we present solutions like pressure reducing valves, pressure sustaining valves, proportional valves, orifice plates, etc. The result is a methodology for the design of this type of regulation devices.

Palabras Clave: Válvulas, control, depósitos, abastecimiento, cavitación, válvula reductora, válvula sostenedora, válvula proporcional, placa orificio.

Keywords: Valves, control, reservoirs, water supply, cavitation, pressure reducing valve, pressure sustaining valve, proportional valve, orifice plate.

1

Centro Multidisciplinar de Modelación de Fluidos - Universidad Politécnica de Valencia - Camino de Vera, s/n.

ES-46022 – Valencia (ESPAÑA). Tlf. +34963879890; Fax: +34963877981; e-mail: piglesia@gmmf.upv.es 2

Ingeniero Agrónomo - Válvulas Bermad – Uralita Sistemas y Tuberías

INTRODUCCIÓN El control y la automatización de las redes de abastecimiento de agua es una necesidad creciente. Una gestión técnica y eficaz de los sistemas de distribución pasa por disponer de elementos que controlen adecuadamente el funcionamiento del sistema ante las demandas y condiciones variables del sistema. En este sentido se buscan soluciones cuyo funcionamiento autónomo esté garantizado y, si puede ser, evitando la necesidad de suministro eléctrico continuo.

Uno de los elementos que de forma genérica participan en la regulación y control de un sistema de distribución de agua son las válvulas. Existen multitud de elementos de este tipo a lo largo de toda la red, cubriendo facetas muy diversas. Algunas de las más características son: • Válvulas de seccionamiento o corte. Se emplean para impedir completamente el paso del flujo cuando se procede a aislar un tramo específico y concreto de la red de abastecimiento. Se trata de válvulas cuyas características fundamentales deben ser la estanqueidad de cierre la baja pérdida de carga cuando se encuentran completamente abiertas.

• Válvulas de regulación. Se emplean para controlar alguna de las variables características del sistema (caudales o presiones). Algunas de sus características básicas deben ser su buena capacidad de regulación, la capacidad de control o inhibición del fenómeno de la cavitación y la baja pérdida de carga cuando se encuentran completamente abiertas. Existen multitud de modelos y tipologías de este tipo, si bien la distinción más genérica radica en el hecho de que el accionamiento de las mismas sea de forma programada por el operador del sistema o por el contrario se realice de forma automática.

• Válvulas de protección. Son válvulas que no participan de la operación normal del sistema, sino que permiten la protección de la instalación en situaciones que pueden considerarse excepcionales y ocasionales. Entre estas podrían incluirse válvulas tales como las de alivio, las anticipadoras de onda, las anti-inundación o las ventosas para admisión y expulsión del aire.

Sin lugar a duda, el adecuado funcionamiento del sistema normalmente descansa sobre la fiabilidad y adecuado diseño que se haya realizado de las denominadas válvulas de regulación o control.

Algunos de los criterios que de forma genérica pueden considerarse en la selección de una válvula (Fuertes y otros, 2003) son los que de forma resumida se recogen a continuación: • La válvula debe presentar una baja pérdida de carga a válvula completamente abierta.

• Una gran parte del desplazamiento de la válvula debe tener un efecto importante sobre la capacidad de regulación del sistema. Al menos el 50% del recorrido de la válvula debe tener una adecuada capacidad de regulación (Iglesias y Serrano, 2007).

• El par máximo de cierre de la válvula debe tener un valor adecuado. En las condiciones más desfavorables del sistema, el par máximo de cierre que puede presentar la válvula siempre debe ser inferior a la capacidad del operador o del personal encargado del accionamiento.

• El diseño e instalación de la válvula debe ser tal que se impida la cavitación excesiva o continua (Bras, 2002).

• Las maniobras de apertura y fundamentalmente de cierre de las válvulas deben realizarse de forma lo suficientemente lenta como para garantizar que no se originen fenómenos transitorios de gravedad (Iglesias y otros, 2004).

• El grado de apertura de la válvula es determinante en la selección de muchas válvulas. Determinadas válvulas requieren evitar el funcionamiento prolongado con pequeños grados de apertura. Por el contrario, otras válvulas presentan problemas de funcionamiento con aperturas cercanas al 100%.

CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE DEPÓSITOS De entre todas las válvulas de regulación presentes en un sistema de abastecimiento de agua, las válvulas de control de depósito (ver Figura 1) presentan unas características singulares. La cercanía de un punto a presión atmosférica origina que los riesgos de cavitación de este tipo de elementos sea superior al de otros elementos de regulación.

Figura 1. Instalaciones típicas de válvulas de control de depósito.

Las válvulas de control de control de depósito realizan una doble función. Por una parte controlar los aportes de caudal al depósito en el caso de que el depósito supere el nivel máximo permitido. Por otra parte, se instalan para controlar los caudales máximos que puede aportarse al depósito y equilibrar el funcionamiento del sistema. Normalmente se exige que el mismo dispositivo de control pueda realizar ambas tareas de control del sistema.

Las características que debe cumplir una válvula de control de depósitos (Serrano, 2006) son: • Larga duración de la válvula. Esta característica se encuentra asociada al adecuado diseño y selección de la válvula necesaria en cada caso. Para ello las condiciones de posible cavitación de la válvula pueden resultar fundamentales.

• Maniobra de cierre adecuada. La válvula debe presentar una maniobra de cierre lenta, ya que en caso contrario el cierre de la misma podría producir un fenómeno transitorio de importancia. El control de los fenómenos transitorios derivados del cierre de las válvulas de control de depósito se puede abordar mediante el empleo de válvulas de aguja, pilotos reductores o pilotos de alivio.

• Control de nivel del depósito. Evitar el desborde del depósito cuando este alcanza un determinado nivel.

• Control de caudal. Es una función como limitadora de caudal. Esta opción es sumamente adecuada cuando en un mismo sistema se encuentran varios depósitos a cotas diferentes.

Para las funciones relacionadas con el control de nivel del depósito existen diferentes soluciones tecnológicas que pueden implementarse (ver Figura 2): • Válvulas de flotador, bien disponiendo de la solución con dos niveles diferentes, uno para apertura y otro para cierre, bien con un flotador modulante. de flotador de dos niveles.

• Válvulas de control de altitud, que presentan una mejor respuesta a la cavitación que las válvulas de flotador convencionales. Al igual que las válvulas de flotador se puede disponer de válvula de control de altitud de dos niveles o de altitud modulante.

• Válvula de control con flotador eléctrico. La presencia de algún dispositivo eléctrico es el que genera las señales para la apertura y cierre de la válvula. Sin duda, el inconveniente principal de este tipo de válvulas es la necesidad de disponer de suministro eléctrico.

Figura 2. Soluciones tecnológicas para el control de nivel en depósitos.

Si para el control de nivel de depósitos tres tipos de soluciones claramente diferenciadas una de otra, el control de caudal en los depósitos presenta una problemática más amplia. Por este motivo en los apartados siguientes se analizan diferentes estrategias de control de caudal en depósitos. Para ello se ha seleccionado una determinada instalación sobre la que se á el estudio y selección de los mecanismos de control del caudal que llega a cada uno de los depósitos.

DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN OBJETO DE ESTUDIO. La instalación objeto de estudio (Figura 3) conforma el sistema de abastecimiento a cinco núcleos poblacionales desde un único depósito principal. Para ello cada uno de los cinco sectores se ha diseñado para abastecer un caudal de 180 m3/h, si bien la configuración inicial del sistema, sin la presencia de sistema de regulación y control alguno no parece garantizar este funcionamiento.

150

L=350 m D=450 mm

L=200 m D=200 mm

145

D1 120

L=1000 m D=350 mm

L=100 m D=200 mm

L=1000 m D=350 mm L=1000 m D=300 mm

D2 90

L=200 m D=200 mm

D3 30

L=600 m D=200 mm

D4 0

L=8000 m D=200 mm

D5

Figura 3. Esquema de la instalaciรณn objeto de anรกlisis.

El objeto fundamental del trabajo presentado es mostrar las diferentes tรฉcnicas disponibles para el control del caudal en depรณsitos. Para ello se realizarรก el dimensionado del mecanismo de control de cada uno de ellos. Dado que el sistema analizado presenta una gran diferencia de niveles entre unos depรณsitos y otros, las estrategias para control de caudal en cada uno de los depรณsitos podrรกn ser diferentes, dependiendo de los niveles de presiones a la entrada de cada uno de los depรณsitos.

Para el anรกlisis del funcionamiento del sistema se ha construido un modelo matemรกtico del sistema. Para ello se ha empleado el modelo EPANET, cuyos detalles pueden seguirse en Iglesias (2001) o en Rosmann (1997). El esquema general del modelo desarrollado puede verse en la Figura 4.

Figura 4. Modelo hidrรกulico de la instalaciรณn.

En dicho modelo se representa de forma particular la conexión con cada uno de los depósitos. La tubería que acomete al depósito se conecta con el depósito, en el modelo desarrollado, a través de dos válvulas diferentes. Una de ellas es una válvula limitadora de caudal que limita el caudal máximo que puede aportarse al depósito al valor de 180 m3/h. La otra de las válvulas representa una simple válvula de regulación cuyas pérdidas de carga a válvula completamente abierta son bajas.

En el modelo desarrollado se dejan alternativamente abierta una u otra válvula, según se desee modelar el comportamiento del sistema con o sin la presencia del elemento de control de caudal en el depósito. En el caso de no emplear válvulas de control de depósito, los valores que se obtienen son losque de forma resumida recoge la Figura 5.

Figura 5. Modelo de funcionamiento sin válvulas de control en los depósitos.

Sobre el modelo desarrollado se han analizado diferentes situaciones de funcionamiento, a fin de establecer las condiciones de funcionamiento de las válvulas de control de depósito y poder proceder a realizar el diseño de las mismas. En la Tabla 1 se recogen los resultados en cada depósito de los diferentes análisis realizados.

La primera de las columnas recoge el valor de la caída máxima de presión que puede haber en cada depósito. Dicha caída corresponde a la presión estática en el depósito a la que está sometida cada válvula de control de depósito para caudales próximos al caudal nulo.

Las siguientes tablas corresponden a los valores de la presión aguas arriba de las válvulas de control de depósito en el caso de que únicamente exista flujo de circulación al depósito considerado. En estas circunstancias se pueden producir caudales importantes, y caídas de presión próximas a la presión estática. Las diferentes tablas recogen los valores cuando el caudal de entrada al depósito adopta diferentes valores.

La última columna recoge el valor de la presión mínima que puede ocurrir en el punto situado inmediatamente aguas arriba de la válvula de control. Dicha presión mínima ocurre al producirse el funcionamiento simultáneo de la totalidad de los depósitos al caudal máximo previsto para los mismos.

Tabla 1. Resultados de las diferentes simulaciones mediante el modelo numérico.

Depósito

Presión estática (mca)

D1 D2 D3 D4 D5

5.00 30.00 60.00 120.00 150.00

Presión funcionando únicamente un depósito a diferentes caudales 5 l/s 4.99 29.97 59.95 119.86 148.68

10 l/s 4.97 29.90 59.81 119.51 145.34

20 l/s 4.88 29.65 59.32 118.22 133.04

30 l/s 4.75 29.26 58.54 116.19 113.44

40 l/s 4.57 28.72 57.49 113.42 86.63

50 l/s 4.34 28.04 56.16 109.92 52.63

Presión mínima (mca) 2.91 17.32 40.41 89.97 32.69

Analizados los diferentes escenarios de operación de cada uno de los depósitos se procede en los siguientes apartados al diseño de cada uno de las válvulas de control.

DIMENSIONADO DE LA VÁLVULA DE CONTROL DEL DEPÓSITO D1.

El depósito D1 tiene un funcionamiento con unos desniveles de presión sumamente bajos. Así la caída de presión oscila entre 2.9 y 5 mca. Dado que la pérdida de carga es extremadamente baja, tan solo es necesario colocar en la válvula un dispositivo mecánico en forma de boya que genere el cierre de la válvula cuando el depósito se encuentre prácticamente lleno.

Para dimensionar adecuadamente cada una de las válvulas de control es necesario conocer las características de cavitación de las mismas. Estas características deben ser suministradas por cada fabricante. En el trabajo presentado se ha empleado el modelo de diseño de válvulas desarrollado por Zvi Weingarten - Bermad (1999), cuyo detalle puede verse en la Figura 6.

Figura 6. Modelo de dimensionado de las válvulas de control. (Cortesía de Válvulas Bermad).

Existen diferentes configuraciones de válvulas dependiendo del mecanismo de cierre.

Por lo general la mayoría de válvulas de control de este tipo presenta un asiento plano cuya característica de regulación y de comportamiento frente a la cavitación es moderado. A fin de modificar el funcionamiento de la válvula para condiciones de cavitación más severas y para grados de apertura menores se diseñan diferentes mecanismos de cierre. En el caso de las válvulas consideradas en este estudio se dispone tan solo de un tipo adicional con el sistema de cierre en V (ver Figura 7).

Caudal Bajo

Caudal medio

Caudal Alto

Figura 7. Sistemas de cierre con disco plano y disco en V. (Cortesía de Válvulas Bermad).

Utilizando dicho modelo con de diseño, la válvula de tamaño menor que cumple con las especificaciones establecidas es la de DN200 con disco plano.

DIMENSIONADO DE LA VÁLVULA DE CONTROL DEL DEPÓSITO D2.

El depósito D2 presenta unas variaciones de presión que podrían denominarse “óptimas” desde el punto de vista del dimensionado que se puede realizar del mecanismo de control en el depósito. Las características básicas de dimensionado de este depósito son: • Presión estática: 30 mca • Presión dinámica aproximada: 20 mca • Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo: 5 l/s.

Las soluciones técnicamente posibles para implementar una reducción de presión con el rango de caudales establecido son: • Instalación de una válvula sostenedora de presión y un flotador para el cierre.

• Instalación de una válvula limitadora de caudal y un flotador para el cierre.

A continuación se recogen los resultados derivados del análisis tanto para caudales máximos como para caudales mínimos. Para ello se analizan las posibles condiciones de funcionamiento de dos tipos de válvulas, una de disco plano y otra con un sistema de disco de cierre en V. Para ello se ha empleado el modelo de diseño de válvulas utilizado con anterioridad.

Para proceder a realizar el análisis se ha estudiado la posibilidad de cavitación o no de diferentes tamaños de válvula en las condiciones de funcionamiento. Los resultados son los que muestra la Tabla 2.

Tabla 2. Resultados del análisis de la válvula del depósito D2.

Qmáximo = 180 m3/h

(1)

DN

Tipo de cierre

150

Qmínimo = 20 m3/h

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Disco Plano

Si

10 753

13.62%

No

100 000

1.40%

150

Disco en V

Si

13 240

61.39%

No

100 000

23.24%

200

Disco Plano

No

25 759

7.35%

No

100 000

0.81%

200

Disco en V

No

30 832

49.94%

No

100 000

16.40%

Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).

La solución finalmente adoptada es una válvula DN200 con el disco en V. El tamaño viene condicionado por las condiciones de cavitación y el tipo de cierre por las condiciones de funcionamiento a caudales bajos. Estos caudales pueden acontecer de forma continua, por lo que debe garantizarse un grado de apertura mínimo (por lo general superior al 10-15%) que evite la presencia de vibraciones y un funcionamiento inadecuado de la válvula.

DIMENSIONADO DE LA VÁLVULA DE CONTROL DEL DEPÓSITO D3.

El depósito D3 presenta unas variaciones de presión más elevadas que el depósito D2.

Por este motivo es necesario realizar una reducción previa de la presión y posteriormente generar la caída de presión definitiva en la válvula de control del depósito. Las características básicas de dimensionado de este depósito son: • Presión estática: 60 mca.

• Presión dinámica aproximada de funcionamiento: 40 mca.

• Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo 5 l/s.

Las soluciones técnicamente posibles para implementar una reducción de presión con el rango de caudales y presiones definido con anterioridad son las siguientes: • Instalación de una válvula reductora de presión con un flotador en serie con una placa orificio.

• Instalación de una placa orificio en serie con una válvula sostenedora de presión con un flotador.

La presencia de la placa orificio de la placa orificio depende del tipo de válvula instalada. En el caso de instalar una reductora de presión la placa orificio se sitúa entre la válvula y el depósito. La válvula reductora fija la presión de salida de forma que la caida de presión del orificio sea aproximadamente constante. Por el contrario, en el caso de instalar una válvula sostenedora de presión, la placa orificio se coloca inmediatamente aguas arriba de la válvula.

Dimensionado de la placa orificio Para realizar el dimensionado de la placa-orificio se emplea la ecuación característica que representa la velocidad media o el caudal en función de la caída de presión

V0 =

CD ⎛A ⎞ 1− ⎜ T ⎟ ⎝ A0 ⎠

2

2gΔH

Q = CD

A0 ⎛D ⎞ 1− ⎜ T ⎟ ⎝ D0 ⎠

4

2gΔH

donde Q es el caudal que atraviesa el orificio; V0 es la velocidad media en el orificio; A0 es área del orificio (de diámetro D0); AT es el área de la tubería (de diámetro DT); ΔH es la caída de presión en el orificio expresada en metros de columna del fluido transportado; y CD es el denominado coeficiente de descarga que refleja las pérdidas de energía en el mismo y que se encuentra entre 0.58 y 0.62.

En el ejemplo analizado se pretende diseñar una placa orificio, sobre una tubería de 200 mm de diámetro, que genere una pérdida de energía aproximada de unos 30 mca. En este caso el diámetro interior del orificio a prácticar debe ser de 66.1 mm.

Dado que la presión estática del depósito son 60 mca y admitiendo que la placa orificio genera una pérdida de unos 30 mca, será necesario que la válvula genere una pérdida de otros 30 mca. Tras analizar diversas alternativas de diámetros y configuraciones de válvulas los resultados son los que se obtienen en la tabla siguiente: Tabla 3. Resultados del análisis de la válvula del depósito D3.

Qmáximo = 180 m3/h

(1)

DN

Tipo de cierre

150

Qmínimo = 20 m3/h

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Disco Plano

Si

10 753

13.62%

No

100 000

0.63%

150

Disco en V

Si

13 240

61.39%

No

100 000

13.83%

200

Disco Plano

No

25 759

7.35%

No

100 000

0.42%

200

Disco en V

No

30 832

49.94%

No

100 000

10.24%

Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).

La solución final adoptada es la instalación de una válvula reductora de presión de DN200 con el disco en V en serie con una placa orificio de diámetro interior 66.1 mm.

DIMENSIONADO DEL DEPÓSITO D4.

El depósito D4 presenta, como diferencia fundamental respecto del depósito D3, un nivel de presiones más elevado. Por este motivo, la solución pasa por reducir inicialmente de forma brusca la presión aguas arriba de la válvula. Posteriormente, los niveles de presión son similares a los del depósito D3 y se realizará un dimensionado similar.

Los datos básicos para el análisis y dimensionado de la válvula en el depósito D4 son: • Presión estática: 120 mca.

• Presión dinámica aproximada de funcionamiento: 90 mca.

• Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo 5 l/s.

En este caso una solución tecnológicamente posible es la instalación en serie de un mecanismo que genere una doble reducción de presión y una válvula reductora de presión.

Así, se propone la instalación en serie de una válvula reductora proporcional, una segunda válvula reductora y una placa orificio (ver Figura 8).

Figura 8. Instalación típica de alta presión en un depósito.

Principio de funcionamiento de la válvula reductora proporcional.

El funcionamiento de una válvula reductora de presión es bien conocido. No obstante, determinados tipologías de válvulas reductoras tienen la posibilidad de configurar las mismas de forma que se genere una reducción de la presión proporcional. Se trata de un tipo de válvula que no requiere de sistema de pilotaje alguno. Para su configuración basta con conectar el punto aguas arriba de la válvula con la cámara de la parte superior de la válvula.

El principio de funcionamiento se basa en el equilibro de las fuerzas mostradas en la Figura 9. Dichas fuerzas son debidas a las presiones en las distintas partes de la válvula considerada.

Figura 9. Esquema de una válvula reductora proporcional.

Las tres fuerzas puestas en juego son las siguientes: • Fuerza en la cara inferior del asiento debida a la acción de la presión p1 aguas arriba de la válvula sobre la sección de paso de la válvula A0.

• Fuerza en la cara posterior del asiento debida a la acción de la presión p2 aguas abajo de la válvula. Dicha presión en la cara posterior actúa sobre una superficie igual a la

diferencia entre la sección de paso de la válvula A0 y el eje de accionamiento de la válvula AE. • Fuerza ejercida sobre la cámara de la válvula, que posteriormente se traslada al eje.

En el caso de esta fuerza se admite que en la posición de equilibrio la presión aguas abajo de la válvula se traslada a la parte superior de la cámara. Por ello esta fuerza será el producto de dicha presión p2 por la sección transversal de la cámara AC. El balance de fuerzas planteado, matemáticamente se puede expresar como p1A 0 = p 2 ( A 0 − A E ) + p 2 A C

Este balance de fuerzas establece que la relación de presiones manométricas entre la entrada y la salida de la válvula viene dada por la expresión p1 ⎛ A C − A E ⎞ = ⎜1 + ⎟ p2 ⎝ A0 ⎠

Dicha relación corresponde únicamente a características geométricas de la válvula, por lo que está perfectamente determinada para cada geometría de la misma. De forma habitual la sección del eje AE se considera prácticamente despreciable respecto de la sección en la cámara, por lo que la expresión anterior se simplifica en p1 ⎛ A C ⎞ = ⎜1 + ⎟ p2 ⎝ A0 ⎠ Tabla 4. Ratios de reducción de válvulas proporcionales BERMAD SERIE 700 de disco plano.

(Cortesía de Bermad Control Valves).

Accionadas por diafragma Ratio DN Disco Plano Disco en V 2" 3.7 4.4 2 1/2" 3.7 4.4 3" 2.6 3.3 4" 2.5 3.1 6" 2.5 3 8" 2.4 2.9 10" 2.3 2.9 12" 2.2 2.7 14" 2.2 2.7 16" 2.2 2.6 18” 2.2 2.6 20” 2.2 2.6

Accionadas por pistón DN

Ratio

2" 2 1/2" 3" 4" 6" 8" 10" 16"

4 4 4 3.7 No existe No existe 2.3 2.2

Dimensionado de de los elementos.

En este caso, se prevé que el diseño requiera de la instalación de una válvula proporcional con disco en V de aproximadamente entre un DN 150 y DN 200. Por ello se admite que el ratio aproximado de reducción de la presión de entrada será de 3. En estas condiciones, dado que la presión estática en el depósito es 120 mca, la presión manométrica después de la válvula proporcional estará en torno a 40 mca. En estas condiciones se analizan

diferentes soluciones de diseño de la válvula verificando el nivel de cavitación de la misma y su grado de apertura. Los resultados se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5. Resultados del análisis de la válvula proporcional del depósito D4.

Qmáximo = 180 m3/h

(1)

DN

Tipo de cierre

150

Qmínimo = 20 m3/h

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Disco Plano

Si

15 388

7.59%

No

100 000

0.84%

150

Disco en V

Si

18 947

50.76%

No

100 000

17.09%

200

Disco Plano

No

36 864

4.22%

No

100 000

0.50%

200

Disco en V

No

44 124

40.26%

No

100 000

11.94%

Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).

Tras la válvula proporcional se instala una placa orificio que debe generar una pérdida de carga aproximada de unos 20 mca para el caudal máximo de circulación de la instalación (180 m3/h). El cálculo de este tipo de elemento se sigue mediante los mismos planteamientos abordados con anterioridad. En este caso se instala una placa, sobre la tubería de diámetro 200 mm cuyo diámetro interior es de 73 mm.

Finalmente queda por analizar una válvula reductora de presión que tenga una presión a la entrada de unos 40 mca y una presión a la salida de 20 mca. La presión a la entrada es la obtenida tras la reducción de la válvula proporcional. La presión a la salida es la requerida para posteriormente vencer los 20 mca de presión de la placa orificio. Los resultados del análisis de las diferentes soluciones analizadas son los que recoge la Tabla 6.

Tabla 6. Resultados del análisis de la válvula reductora del depósito D4.

Qmáximo = 180 m3/h

(1)

DN

Tipo de cierre

100

Qmínimo = 20 m3/h

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Disco Plano

Si

11 161

43.36%

No

100 000

3.72%

100

Disco en V

Si

16 163

95.19%

No

100 000

38.62%

150

Disco Plano

No

37 079

16.86%

No

100 000

1.49%

150

Disco en V

No

45 654

65.00%

No

100 000

25.74%

Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).

DIMENSIONADO DEL DEPÓSITO D5.

El depósito D5 presenta unas características de variación de presión particularmente complejas. Mientras la presión estática presenta un valor elevado (del orden de 150 mca), la presión dinámica se encuentra en torno a los 30 mca. Esta variación tan grande de la reducción de presión que debe introducir la válvula hace que la solución deba ser diferente en el caso de grandes o pequeñas reducciones de presión.

Los datos básicos para el análisis y dimensionado de la válvula en el depósito D5 son: • Presión estática: 150 mca.

• Presión dinámica aproximada de funcionamiento: 30 mca.

• Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo 5 l/s.

En este caso una solución la solución tecnológicamente posible es similar a la del depósito D4. Se requiere la instalación de una fuerte reducción de presión a la entrada del depósito. Por ello se propone instalar en serie una válvula reductora proporcional, una segunda válvula reductora y una placa orificio. En este caso, dado que la diferencia entre la presión estática y la presión dinámica es importante, se requiere un mecanismo que anule de alguna forma la válvula reductora proporcional cuando la presión a la entrada de la misma esté por debajo de un determinado valor.

Figura 10. Funcionamiento del piloto sensor de anulación de la válvula proporcional.

El funcionamiento del piloto sensor es relativamente sencillo (Figura 9). En el caso de que se esté funcionando con una presión alta están conectados los orificios A y B del piloto, por lo que la válvula funciona como una reductora proporcional. Por el contrario, cuando se alcanza un valor bajo de presión quedan conectados los orificios A y C, por lo que la válvula se encuentra anulada y permanece completamente abierta.

Como puede apreciarse del análisis de resultados de la Tabla 7, la válvula reductora proporcional necesaria es la misma que en el caso del depósito D4. Tras esta válvula proporcional se instala una segunda válvula reductora y antes del depósito una placa orificio.

Dicha placa orificio debe tener una pérdida de carga aproximada de unos 20 mca, al igual que ocurría con la placa del depósito D4. Por ello se instala una placa de las mismas características que en dicho depósito (tubería de diámetro 200 mm y orificio de diámetro 73 mm).

Tabla 7. Resultados del análisis de la válvula proporcional del depósito D5.

Qmáximo = 180 m3/h

(1)

DN

Tipo de cierre

150

Qmínimo = 20 m3/h

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Disco Plano

Si

14 766

6.88%

No

100 000

0.76%

150

Disco en V

Si

18 161

48.92%

No

100 000

15.73%

200

Disco Plano

No

35 374

3.75%

No

100 000

0.45%

200

Disco en V

No

42 341

38.65%

No

100 000

11.26%

Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).

Finalmente queda por analizar una válvula reductora de presión que tenga una presión a la entrada de unos 40 mca y una presión a la salida de 20 mca. La presión a la entrada es la obtenida tras la reducción de la válvula proporcional. La presión a la salida es la requerida para posteriormente vencer los 20 mca de presión de la placa orificio. Los resultados del análisis de las diferentes soluciones analizadas son los que recoge la Tabla 8.

Tabla 8. Resultados del análisis de la válvula reductora del depósito D5.

Qmáximo = 180 m3/h

(1)

DN

Tipo de cierre

100

Qmínimo = 20 m3/h

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Cavita

Nº Horas(1)

GA (%)

Disco Plano

Si

24 719

13.25%

No

100 000

1.35%

100

Disco en V

Si

30 436

60.71%

No

100 000

22.80%

150

Disco Plano

No

59 218

7.08%

No

100 000

0.78%

150

Disco en V

No

70 879

49.36%

No

100 000

16.03%

Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).

CONCLUSIONES Tras analizar las diferentes alternativas de solución al caso propuesto, pueden extraerse las siguientes conclusiones: • Válvulas de control con reducciones de presión pequeñas no requieren de mecanismo alguno, sino la colocación de una simple válvula con una boya mecánica de control del nivel.

• Todas las combinaciones analizadas se reducen en última instancia a dimensionar una válvula que genere una reducción aproximada de unos 2 o 3 bares. En el caso de que esta sea la presión a la entrada del depósito se requiere de un único elemento de control.

• En los casos en los que las reducciones de presión necesarias son superiores la solución más adecuada consiste en fraccionar los saltos de presión con la utilización de placas orificio o válvulas reductoras proporcionales.

• Las válvulas que requieren grandes variaciones de presión pueden combinar dos de las soluciones anteriores mediante el empleo de pilotos o mecanismos que anulen el funcionamiento de una de las válvulas reductoras proporcionales por debajo de un determinado nivel de presión.

En definitiva, los criterios mostrados para el ejemplo del presente trabajo, pueden ser fácilmente extrapolados como criterio de diseño para otras válvulas de control de depósitos.

Más aún, algunos de estos criterios son de utilidad para el dimensionado de válvulas de control automáticas en redes de abastecimiento, no necesariamente vinculadas a la presencia de un depósito.

AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido realizado en el marco del proyectos de investigación CADAGIAS (Nº DPI2006-13113), financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia (España) y los fondos europeos FEDER.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bras, G. (2002). “Control valves explained: the cavitation factor”. Valve World. Octubre 2002, pág. 25-29.

Fuertes Miquel, V.S.; Pérez García, R.; Iglesias Rey, P.L.; García Mares, F.J. (2003). “Las válvulas en los abastecimientos de agua. Tipologías y caracterízación hidráulica”. Capítulo 6 del libro Ingeniería hidráulica en los abastecimientos de agua. Ed. Grupo Multidisciplinar de Fluidos – Universidad Politécnica de Valencia, España.

Iglesias Rey, P.L. (2001). Modelo general de análisis de redes hidráulicas a presión en regimen transitorio. Tesis doctoral. Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente. Universidad Politécnica de Valencia (España).

Iglesias Rey, P.L.; Fuertes Miquel, V.S.; Izquierdo Sebastián, J.; Martínez Solano, F.J. (2004). Sistemas de protección para el control de fenómenos transitorios. Capítulo 11 del libro Fundamentos de hidráulica urbana. Ed. Grupo Multidisciplinar de Fluidos – Universidad Politécnica de Valencia, España.

Iglesias Rey, P.L.; Serrano Rodríguez, J.A. (2007). Ejemplos de cálculo de válvulas de regulación. Conferncia número 7 del II Curso sobre Las válvulas en los sistemas de abastecimiento de agua. Ed. Grupo Multidisciplinar de Modelación de Fluidos – Universidad Politécnica de Valencia, España.

Rossman, L.A. (1997). “EPANET 2.0 User’s manual”. Ed. Drinking Water Research Division. Risk Reduction Engineering Laboratory. Environmental Protection Agency.

Serrano Rodríguez, J.A. (2006). Válvulas automáticas. Conferencia número 6 en el curso titulado Las válvulas en los sistemas de abastecimiento de agua. Ed. Grupo Multidisciplinar de Modelación de Fluidos – Universidad Politécnica de Valencia, España.

Zvi Weingarten - Bermad (1999). Algorithm of valve sizing and simulator. Bermad Catalog 2.3.