vÁlvulas hidrÁulicas
TRANSCRIPT
VÁLVULAS HIDRÁULICAS
1. Definición.
Las válvulas hidráulicas son elementos ampliamente utilizados en las redes hidráulicas y en general en todo tipo de sistemas de fluidos.
Su simplicidad constructiva, que elimina prácticamente el mantenimiento, unida a su carácter multifuncional convierte a las válvulas hidráulicas en elementos imprescindibles para solventar un buen número de problemas que se presentan en toda instalación hidráulica.
2. Descripción de componentes.
El exterior está constituido por dos
piezas (cuerpo y tapa), en cuyo
interior se encuentran la membrana o
diafragma de caucho que es el
elemento de apertura o cierre al paso
de agua. Un muelle cumple la
función de ayuda al cierre de la
válvula.
Algunas como las válvulas Gal,
disponen también de un muelle que
cumple la función de ayuda al cierre de
la válvula.
3. Funcionamiento.
Estando la cámara de la válvula (parte superior de la membrana) conectada a la atmósfera, la presión de agua del interior de la tubería empuja la membrana hacia arriba, abriendo la válvula y por tanto el paso de agua. Cuando se comunica a la
cámara de la válvula la presión de agua de la tubería (aguas arriba de la válvula), ésta comprime la membrana hacia abajo, produciendo el cierre completo de la válvula y por lo tanto el corte al paso del agua. Este es el funcionamiento de la válvula básica, es decir abierta-cerrada.
Las válvulas hidráulicas están disponibles en tamaños que van desde 3/4'' hasta 12" y en tres tipos de material: plástico (de 1" a 3"), bronce (de 3/4" a 2") y fundición de hierro (de 2" a 12"), éstas recubiertas con pintura epoxi.
4. Accesorios y dispositivos de control.
Las válvulas hidráulicas, tal como hemos visto, permiten abrir y cerrar el paso del fluido por la tubería. Añadiendo diferentes accesorios y pilotos podemos construir circuitos hidráulicos que realicen regulaciones automáticas específicas, pudiendo modelar así a voluntad el funcionamiento básico de la válvula.
Estos circuitos hidráulicos están constituidos por accesorios que no intervienen de forma dinámica en la regulación, tales como conectores, tubos de cobre o plástico, válvulas de cierre, válvulas de aguja, filtros de toma, etc. y otros que si intervienen de manera directa, son los llamados "pilotos".
Otro accesorio que se instala en las válvulas hidráulicas son los solenoides, estos forman un conjunto con la válvula denominándose electroválvula. A continuación describimos estos dos accesorios que se instalan en las válvulas.
Pilotos.
Son dispositivos hidráulicos capaces de, a partir de una señal de sensor, generar una señal de mando que actúa sobre la válvula modificando su comportamiento en la instalación.
Todos los pilotos están formados por un dispositivo que actúa sobre un vástago o
pistón, este vástago actúa como un selector que comunica un paso o puerto
común a la cámara de la válvula y uno de los otros puertos a la presión, el
desplazamiento del vástago conecta la cámara a la atmósfera para abrir la válvula
o bien la presuriza para cerrarla. El piloto podrá estar actuando de forma manual,
eléctricamente o por una señal de presión.
Solenoide.
El solenoide es un dispositivo que permite convertir una señal eléctrica en una
señal hidráulica de presión capaz de abrir o cerrar la válvula.
El solenoide consiste básicamente una bobina de cobre en cuyo interior se
encuentra un núcleo ferromagnético, de tal forma que cuando la bobina o recibe
tensión, el núcleo adopta una posición de reposo y al recibir tensión cambia su
posición, pasando al estado de excitación. Con este cambio de posición del
núcleo se produce la ecuación hidráulica de la válvula, ya sea su apertura o bien
su cierre.
Esquema funcionamiento de un solenoide
5. Tipo de servicio.
Dado que hay diversos tipos de válvulas hidráulicas disponibles para cada función, también es necesario determinar las condiciones del servicio en que se emplearán las válvulas. Es de importancia primordial conocer las características químicas y físicas de los fluidos que se manejan.
Líquidos. Gases. Líquidos con gases. Líquidos con sólidos. Gases con sólidos. Vapores generados instantáneamente por la reducción en a presión del sistema. Con corrosión o sin corrosión.
Con erosión o sin erosión.
6. Materiales utilizados para la creación.
Hierro Fundido
Hierro Dúctil
Acero Fundido
SST
Bronce
Bronce Marino
Poliamida
P.V.C.
7. Clasificación.
a) Válvulas distribuidoras: Son las encargadas de dirigir el flujo según nos convenga. También pueden influir en el arranque de receptores, como pueden ser los cilindros; y gobernar a otras válvulas.
b) Válvulas de presión: También llamadas válvulas limitadoras de presión. Se les llama de esta forma porque limitan la presión de trabajo en el circuito, limitan la presión de la bomba y pueden funcionar como elemento de seguridad.
c) Válvulas de cierre: Este tipo de válvula tiene como objetivo impedir el paso de fluido hacia un sentido, mientras permite la libre circulación de fluido en el sentido contrario al obstruido.
d) Válvulas de flujo: Cuando deseamos variar la velocidad de un actuador, cilindro, etc. Recurriremos siempre a las válvulas de flujo.
8. Aplicaciones.
a) Electroválvula (EL)
Parte de una señal eléctrica con la cual podemos abrir o cerrar la válvula. Para ello debemos convertir dicha señal eléctrica en una señal de presión, función que se realiza mediante la utilización de un solenoide.
De acuerdo a la figura (derecha), cuando el solenoide no está excitado, P y C se encuentran conectados, con lo cual la presión de la red es llevada a la cámara y la válvula cierra. Cuando llega tensión al solenoide, este comunica C con E, drenándose la cámara con la consiguiente apertura de la válvula.
b) Válvula reductora de presión (PR).
La válvula reductora de presión tiene como función reducir la presión aguas debajo de la válvula a un valor igual o inferior al ajustado en el piloto.
Estas válvulas son de aplicación necesaria en puntos donde se requiere una disminución de la presión; para adecuarla al consumo o utilización (tal como se indica en la figura 6.18), para proteger tuberías o accesorios de menor timbraje o para romper la presión estática.
Cuando aguas abajo de la válvula tenemos una presión superior a la ajustada, el piloto actúa de tal forma que la cámara se presuriza y la válvula se cierra lentamente, con lo cual la presión aguas abajo disminuye. Cuando aguas debajo de la válvula tenemos una presión inferior a la ajustada, el piloto actúa drenando
la cámara, con lo cual la válvula se abre, aumentado de esta manera la presión a la salida de la misma.
Válvula reductora de presión (PR) para adecuar la presión al consumo
Las válvulas de alivio de presión se instalan en puntos donde se desee proteger las instalaciones de sobrepresiones puntuales, tales como tuberías, accesorios, equipos, etc. es muy recomendable, prácticamente imprescindible, su instalación a la salida de grupos de bombas con el fin de aliviar las sobrepresiones que se pudieran producir en el arranque y paro de los equipos, ya sea por mal funcionamiento de los grupos o bien por una mala maniobra fortuita sobre la instalación. Se recomienda asimismo instalar antes de la válvula de alivio una válvula de compuerta de accionamiento manual para regulación y aislamiento.
c) Válvula sostenedora de presión (PS)
Las válvulas sostenedoras de presión permiten una presión mínima de funcionamiento aguas arriba de la válvula.
La función sostenedora consiste en mantener la válvula hidráulica cerrada o semi cerrada mientras la presión de entrada no alcance un determinado valor. Dicho valor se determina mediante el tornillo de ajuste de piloto. Cuando la presión de
entrada llega a este valor de ajuste, la válvula abre, manteniendo como mínima dicha presión a la entrada de la válvula.
Cuando aguas abajo de la válvula tenemos una presión superior a la ajustada, el piloto actúa de tal forma que la cámara se presuriza y la válvula se cierra lentamente, con lo cual la presión aguas abajo disminuye. Cuando aguas debajo de la válvula tenemos una presión inferior a la ajustada, el piloto actúa drenando la cámara, con lo cual la válvula se abre, aumentado de esta manera la presión a la salida de la misma.
Válvula sostenedora (PS), mantiene la presión mínima en las cotas superiores pese al consumo de las cotas inferiores
d) Válvula de alivio rápido de presión (QR).
Las válvulas de alivio rápido de presión tienen como misión principal el descargar a la atmósfera las sobrepresiones que pudieran producirse en la instalación.
Las válvulas de alivio de presión se instalan en puntos donde se desee proteger las instalaciones de sobrepresiones puntuales, tales como tuberías, accesorios, equipos, etc. es muy recomendable, prácticamente imprescindible, su instalación a la salida de grupos de bombas con el fin de aliviar las sobrepresiones que se pudieran producir en el arranque y paro de los equipos, ya sea por mal funcionamiento de los grupos o bien por una mala maniobra fortuita sobre la instalación. Se recomienda asimismo instalar antes de la válvula de alivio una válvula de compuerta de accionamiento manual para regulación y aislamiento.
Válvula de alivio rápido de presión (QR), se montan en derivación en la tubería de impulsión para aliviar sobrepresiones de la red
e) Válvula anticipadora de onda (RE).
Son una combinación de una válvula de alivio rápido de presión y una válvula de apertura a baja presión.
Cuando la instalación está funcionando en condiciones normales, la tubería está presurizada a la presión de trabajo de la instalación. Cuando se produce el paro
de bomba, tienen lugar primeramente un descenso de la presión (onda negativa del golpe de ariete) y a continuación, una sobrepresión brusca (onda positiva del golpe de ariete).
La válvula anticipadora de onda es capaz de detectar el primer descenso de presión para empezar a abrir la salida de descarga, de tal modo que cuando llega la sobrepresión, la válvula ya se encuentra abierta, produciéndose la descarga mucho más rápidamente. La válvula sigue abierta en condiciones de alta presión en la tubería, cerrando cuando desciende a la presión estática del sistema.
Instalación de una válvula anticipadora de onda (RE)
f) Válvula limitadora de caudal (FR)
Las válvulas limitadoras de caudal se consiguen evitar los consumos excesivos punta, las caídas de presión y las deficiencias de suministro a otros puntos. Permiten limitar el caudal de agua circulante, asegurando que éste sea igual o inferior al ajustado.
El caudal se determina por la pérdida de carga que se produce en una placa orificio colocada aguas arriba de la válvula. Al aumentar el caudal, la pérdida se carga aumenta. La placa orificio se dimensiona para producir una pérdida de carga de 2 a 3 metros al caudal limitado. La diferencia de presión se lleva al piloto, el cual actúa abriendo o cerrando la válvula según el caso.
g) Válvula de control anti rotura (FE).
La válvula de control anti rotura es utilizada en instalaciones de suministro por gravedad, en un punto cercano al depósito o presa.
Dichas válvulas controlan en todo momento el caudal circulante. Si debido a una avería o rotura de la tubería se produce un incremento de caudal excesivo, la válvula lo detecta y provoca el cierre total del paso de agua. Esto se realiza mediante el piloto diferencial que detecta el aumento de la pérdida de carga en la placa orificio.
Instalación de control anti rotura
h) Válvula de control de nivel de depósito (FL)
Las válvulas de control de nivel de depósito permiten gobernar el llenado de agua de depósitos, abriendo la válvula cuando el depósito está vacío y cerrándola cuando el nivel llega al máximo prefijado. Se utilizan en depósitos de agua o arquetas de quiebra.
Cuando el nivel de agua en el depósito llega a su punto máximo, el piloto de boya cierra el paso de agua a su través, acumulándose la presión de agua en la cámara de la válvula y cerrándose ésta.
Cuando el nivel de agua en el depósito desciende debido al consumo, el piloto de boya también desciende, abriendo el paso de agua a su través y drenando la cámara, lo cual abre la válvula hidráulica.
Instalación de la válvula de control de nivel (FL)
i) Válvula de control de nivel diferencial (DI/FL)
El piloto diferencial controla la válvula principal, cerrándola cuando el agua alcanza el máximo nivel y abriéndola cuando el agua se sitúa en el nivel mínimo predeterminado.
Gracias a que el flotador puede desplazarse libremente a lo largo del eje vertical, es posible determinar un diferencial entre la orden de apertura y cierre de la válvula. Esto se realiza gracias a los topes ajustables sujetos al eje vertical. Cuando el depósito se vacía por debajo del nivel mínimo, el piloto actúa sobre la válvula abriéndola. A medida que el depósito se va llenando, la válvula sigue totalmente abierta hasta que el agua alcanza el nivel máximo, momento en el cual la válvula cierra totalmente.
Instalación de la válvula de control diferencial (DI/FL)
j) Válvula de control de altitud (AL).
Otra forma de controlar la entrada o salida de agua de un depósito es utilizando una válvula de control de altitud. Dicha válvula utiliza el piloto de altitud. Este sistema de control es de gran utilidad en los casos en que existe una diferencia de cota apreciable entre el nivel de agua del depósito y la posición de la válvula hidráulica (superior a 3 metros) y en los que no es posible utilizar un piloto de nivel de boya.
La válvula puede estar controlada para cerrar por nivel alto o por nivel bajo del agua de un depósito.
Instalación de la válvula de control de altitud (AL)
k) Válvula de control de bombeo (BC)
Las válvulas de control de bombeo (BC) están diseñadas para prevenir las sobrepresiones generadas por los paros y arranques de las bombas que se producen en las instalaciones de impulsión.
El funcionamiento de la válvula consiste en lo siguiente: al poner la bomba en marcha la válvula está cerrada, activándose el solenoide para que se abra lentamente. La presión de la red se incrementa de forma gradual, hasta que se alcanza la posición de válvula totalmente abierta, con lo cual se reduce la pérdida de carga en la válvula.
Instalación de la válvula de control de bombeo (BC)
l) Válvula de control de bombeo con apertura en dos etapas (BC/TO)
Esta válvula ha sido expresamente diseñada para instalaciones en las que la tubería queda total o parcialmente vacía cuando no es utilizada. En tales circunstancias, al ponerse en marcha la bomba la presión de descarga es muy baja y el caudal muy alto, existiendo el riesgo de que se produzca un golpe de ariete cuando el aire es expulsado por completo y la presión se incrementa repentinamente.
En este tipo de instalaciones, la válvula de control de bombeo (BC) vista en el apartado anterior no es suficiente, ya que no es posible ajustar las válvulas de aguja para que la apertura sea tan lenta como para garantizar el llenado de la tubería.
Por esta razón, la válvula de control del bombeo con apertura en dos etapas incluye además un piloto que controla la presión de llenado de la tubería. La figura 6.29, muestra la instalación de la válvula de control de bombeo con apertura en dos etapas (BC/TO).
Instalación de la válvula de control de bombeo con apertura en dos etapas (BC/TO)(BC)
9. Tablas de medidas y pesos.
10. Selección de tamaño.
11. Planos.
12. Formulas.
Perdidas de carga de una válvula hidráulica completamente abierta.
13. Tablas de pérdidas de carga.
14. Cavitación.
Donde:
R2= Factor de cavitación referido a aguas abajo
P2= Presión absoluta aguas abajo
Pv= Presión de vapor del agua a la temperatura de trabajo
∆P= Caída de presión en la válvula función del caudal y el grado de
apertura.
15. anexos.
ANÉCDOTA HISTORICA (VÁLVULAS VETERANAS)
A principios de la década de 1960, el gerente de proyecto de una empresa de ingeniería estadounidense fijó su residencia en Omuta, una pequeña población en Kyushu, la isla más meridional del Japón, en donde la empresa participaba en la construcción de una planta de proceso que habían diseñado y proyectado.
Todas las inmediaciones se destinaban al cultivo de arroz, trigo, té y naranjas, en terrazas, en laderas de las montañas, Tanto las terrazas como los terrenos planos en las faldas de los montes tenían riego y toda la zona tenía una cuadrícula de zanjas y acueductos para riego con el fin de conducir y distribuir el agua recolectada en las montañas.
Desde la parte posterior de su casa, el gerente residente se sorprendió al ver una serie de postes delgados, rectos, equiespaciados, que se extendían sobre los campos. Conforme pasó el tiempo, vio que un trabajador japonés se aproximaba a los postes cada cierto tiempo y parecía que los inspeccionaba y que los limpiaba con una brocha o los pintaba.
Nuestro gerente se decidió a caminar por los campos para un examen más cercano y descubrió que los postes, varillas de acero roscadas. Eran los vástagos de válvulas de compuerta que regulaban el agua en loa canales de riego.
Las flores también tienen válvulas que regulan El paso de la sábila.
Más tarde nuestro hombre se topó por casualidad con el japonés encargado del mantenimiento, habló con él y supo que los canales de riego se habían abierto en 1904 y tenían válvulas de corredera de madera que fueron sustituidas por válvulas de hierro fundido en 1924. El encargado del mantenimiento era de la tercera generación que trabajaba en el servicio del sistema y limpiaba con cepillo las válvulas y engrasabas los vástagos en forma periódica. Este hombre no recordaba una sola válvula que se hubiera necesitado reemplazo o reparación.
La represa de ikyushu en la India, es un ejemplo de obras de ingeniería que usan válvulas para la regulación del caudal que fluye por sus tuberías de alta presión.
¿PORQUÉ ES IMPORTANTE CONOCER LOS TIPOS DE
VÁLVULAS, SUS USOS, Y LA FORMA ADECUADA DE INSTALARLAS, DISTRIBUIRLAS EN LOS PROCESOS O SISTEMAS HIDRÁULICOS?
Porque las válvulas constituyen del 20 al 30% del costo de la tubería de una planta, según sea el proceso y un costo parecido en una central hidroeléctrica, por lo tanto, el costo de un proyecto hidroeléctrico por ejemplo, aumenta o disminuye, de acuerdo al tipo y tamaño dados de válvulas, pudiendo variar hasta en un 100% según sea su construcción. Por ello, la selección de válvulas es de suma importancia en los aspectos económicos, así como en la operación de plantas de proceso, centrales hidroeléctricas, sistemas de bombeo, redes de distribución de agua potable, etc.
16. Bibliografía.
L. S Mc Nickle, Jr. Hidráulica Simplificada. Compañia editorial Continental S.A. México. 1ª Edición 1968
SOTELO, Ávila Gilberto. hidráulica general. Vol 1. Fundamentos Editorial LIMUSA México 1ª Edición. 1981.
MATAIX, Claudio. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. Editorial Harla Charper and Row Latinoamericana. 2ª Edición. 1982.
PORRAS, Hugo A. Hidráulica Aplicada. Editorial Universidad Distrital “Francisco José de Caldas”. 1ª Edición. 1991.
POLO, Encinas Manuel. Turbomáquinas hidráulicas. Editorial LIMUSA. México. 1ª Edición. 1976.
17. Paginas wed. www.dorot.com