Analisis de Flujo Interno en Valvula de Bola

Universidad Nacional de Trujillo - Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica

PROYECTO DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA FLUIDODINAMICO:

ANÁLISIS DE PÉRDIDAS DE CARGA CAMBIOS DE ANGULO EN APERTURA DE VÁLVULA DE BOLA  RESUMEN

El presente proyecto plantea analizar pérdidas de carga según ángulos de apertura de válvulas; así pues, comparar el coeficiente de pérdida de carga de una válvula de bola (K) con el ángulo ángulo de apertura de la manivela, tomando datos de la presión de entrada que necesitamos y reemplazarlo en formulación matemática.Nuestra necesidad era el de analizar paso a paso cuál eran los datos que nos arrojaban las iteraciones del software de SolidWorks para luego reemplazar en ecuaciones teóricas. Por último usar razonamientos lógicos para establecer deducciones a partir de nuestro resultado, pues establecíamos relaciones con el fundamento teórico para validar los resultados. Así pues, la metodología empleada consistía en la simulación directa de una situación del ámbito fluidodinámico; empleando la ecuación de la Energía. La simulación permite la generación de ecuaciones en función de parámetros de estudio,así el objetivo principal será: utilizar el concepto de pérdidas de carga para instrumentos mecánico de control.

Mecánica de Fluidos II – Dinámica Dinámica de fluidos computacional

1


I.

GENERALIDADES:

 Introducción

En primer lugar debemos de hacer énfasis en el mecanismo que sirve para regular el flujo de un fluido canalizado, el cual se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada. Respecto a la apertura de la válvula, ésta se logra mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal forma que permite el paso del fluido cuando estáalineada la perforación con la entrada y la salida de la válvula. Cuando la válvula está cerrada, el agujero estará perpendicular a la entrada y a la salida. La posición de la manija de actuación indica el estado de la válvula (abierta o cerrada). Este tipo de válvulas no ofrecen una regulación tan precisa al ser de ¼ de vuelta. Su ventaja es que la bola perforada permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto. Las válvulas de bola manuales pueden ser cerradas rápidamente, lo que puede producir un golpe de ariete (sobrepresión ( sobrepresión originada por el cierre brusco de una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento). Por ello y para evitar la acción humana pueden estar equipadas con un actuador ya sea neumático, hidráulico o motorizado. Atendiendo al número de conexiones que posee la válvula, puede ser de dos o tres vías. Las válvulas con cuerpo de una sola pieza son siempre de pequeña dimensión y paso reducido. Este tipo de construcción hace que la válvula tenga un precio reducido.


2


I.

GENERALIDADES:

 Introducción

En primer lugar debemos de hacer énfasis en el mecanismo que sirve para regular el flujo de un fluido canalizado, el cual se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada. Respecto a la apertura de la válvula, ésta se logra mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal forma que permite el paso del fluido cuando estáalineada la perforación con la entrada y la salida de la válvula. Cuando la válvula está cerrada, el agujero estará perpendicular a la entrada y a la salida. La posición de la manija de actuación indica el estado de la válvula (abierta o cerrada). Este tipo de válvulas no ofrecen una regulación tan precisa al ser de ¼ de vuelta. Su ventaja es que la bola perforada permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto. Las válvulas de bola manuales pueden ser cerradas rápidamente, lo que puede producir un golpe de ariete (sobrepresión ( sobrepresión originada por el cierre brusco de una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento). Por ello y para evitar la acción humana pueden estar equipadas con un actuador ya sea neumático, hidráulico o motorizado. Atendiendo al número de conexiones que posee la válvula, puede ser de dos o tres vías. Las válvulas con cuerpo de una sola pieza son siempre de pequeña dimensión y paso reducido. Este tipo de construcción hace que la válvula tenga un precio reducido.


2


Fig. 1: Vista seccionada de una válvula de bola dibujado en CAD

Las válvulas con cuerpo de dos piezas suelen ser de paso estándar. Este tipo de construcción permite su reparación.

Fig. 2: Bola o esfera perforada de Titanio

Las válvulas de tres piezas permiten desmontar fácilmente la bola, el asiento o el vástago ya que están situados en la pieza central. Esto facilita la limpieza de sedimentos y remplazo de partes deterioradas sin tener que desmontar los elementos que conectan con la válvula.

Fig. 3: Vista seccionada de una válvula de bola real


3


En la válvula de bola un macho esférico agujereado controla la circulación del líquido. El sellado en válvulas de bola es excelente, la bola contacta de forma circunferencial y uniforme el asiento, el cual suele ser de materiales blandos. Las aplicaciones más frecuentes de la válvula de bola son simplemente de abertura/cierre. No son recomendables usarlas en servicios de parcialmente abiertas por un largo tiempo bajo condiciones de alta caída de presión a través de la válvula, ya que los asientos blandos pueden tener tendencia a salir de su sitio y obstruir el movimiento de la bola. Cerradas, detienen el flujo en ambos sentidos. Se utilizan para tener control sobre el paso del fluido. El cambio en el caudal no es proporcional al movimiento de la maneta o manija, un giro pequeño puede alterar mucho el flujo. Dependiendo del tipo de cuerpo de la válvula, su mantenimiento puede ser fácil. La pérdida de presión en relación al tamaño del orificio de la bola es pequeña. El uso de la válvula está limitada por la resistencia a temperatura y presión del material del asiento, metálico o plástico. Se emplean en vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, pastas aguadas y materiales pulverizados secos. Según que abrasivos o fluidos fibrosos pueden dañar la superficie de la bola y asiento.

Tipos de válvulas de bola: - Válvula de bola flotante (Floatballvalve): La válvula se sostiene sobre dos asientos en forma de anillos.

- Válvula de bola guiada ("Trunnion"): La bola es soportada en su eje vertical de rotación por unos muñones. Estos absorben los esfuerzos que reali zan la presión del fluido sobre la bola, liberando de tales esfuerzos el contacto entre la bola y el asiento

Mecánica de Fluidos II – Dinámica de fluidos computacional

4


por lo que el par operativo de la válvula se mantiene bajo. Este diseño es recomendado en aplicaciones de alta presión o grandes diámetros.

Fig. 4: Tipos de válvula de bola

Tipos de Cuerpo: -Soldado: Las válvulas de bola soldadas garantizas la ausencia de fugas durante la vida de la válvula, y no requiere de mantenimiento operativo. Esto puede ser un factor muy importante especialmente para válvulas de bola instaladas en tuberías bajo tierra o submarinas. También se elige este diseño en fluidos peligrosos.

-Entrada superior: La bola se puede extraer desmontando la tapa superior. La válvula puede ser reparada en la instalación.

-Entrada lateral: Cuerpo de una sola pieza. La bola se monta desde una entrada axial. -Cuerpo partido: El cuerpo lo forma dos o tres piezas. Permite la inspección y mantenimiento de todas las parte internas.

Fig. 5: Tipos de cuerpos de la válvula de bola


5


Pues bien, el presente trabajo involucrará el estudio de este tipo de válvulas para lo cual se analizará el coeficiente de carga con respecto al porcentaje de apertura para un mejor desempeño y de ser el caso involucrar un rediseño de la misma; para lo cual nos respaldará una herramienta indispensable usada hoy en día como son los software CAE, y que en este caso será SolidWorks.

 Importancia

y/o Justificación

Hoy en día, el estudio de diversos sistemas que permiten la simulación de ciertos fenómenos mediante modelos matemáticos, es de uso común en actividades de tipo ingenieril, ya sea para su mejoramiento o control. Asimismo, en el diseño y análisis de sistemas fluidodinámicos es de gran importancia el software SolidWorksFlowSimulation, que es una poderosa herramienta de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) que le permite simular el flujo de fluidos, la transferencia de calor y las fuerzas de los fluidos demanera fácil y rápida cuando estas interacciones son de vital importancia para el éxito de su diseño. En tanto, nuestro trabajo realizado para el modelamiento y simulación de un sistema fluidodinámico es respaldado por resultados fidedignos obtenidos mediante iteraciones y cálculos teóricos.  Objetivos

del Proyecto

 Principal:

- Conocer, comprender y diseñar el funcionamiento de una válvula de bola; así

como, analizar pérdidas de carga según ángulo de apertura de válvulas comparar el coeficiente de pérdida de carga de una válvula de bola (K) con el ángulo de apertura de la manivela.


6


 Específicos:

- Analizar y comprender los datos obtenidos durante el diseño de la válvula de

bola, y establecer razonamientos y deducciones lógicas a partir de los cálculos y resultados hallados, analizando las características y mecanismos de la válvula de bola. - Determinar, verificar y comparar los parámetros de flujo y las curvas

características de funcionamiento del sistema a partir de la obtención de un resultado que sea suficientemente adecuado, además de crear una actitud de investigación. - Diseñar correctamente un algoritmo de cálculo la válvula de bola a partir de los

conocimientos teóricos de Mecánica de Fluidos. - Averiguar cuáles son las dificultades por la cual puede atravesar en su

funcionamiento, la válvula de bola, debido a los vórtices generados.  Descripción

de las Condiciones de Flujo

A continuación realizamos una breve pero muy detallada descripción de las condiciones del flujo o fronteras del dominio físico y computacional.  Consideraciones:



Fluido incompresible.



Flujo permanente.



Flujo interno.



Flujo turbulento.



Flujo completamente desarrollado.



Sistema adiabático.



Flujo plano sin gravedad.


7


II.

MARCOTEÓRICO – MARCO REFERENCIAL:

En el presente trabajo como ya se explicó en los objetivos se tendrá en cuenta el estudio de las pérdidas de carga que sufre el fluido al atravesar los diferentes elementos de una instalación hidráulica, que para este caso serán tuberías y una válvula. En el Análisis y Diseño de las instalaciones hidráulicas es necesario conocer las expresiones que relacionan el aumento o disminución de energía hidráulica (Bernoulli) que sufre el fluido al atravesar el elemento o componente con el caudal. Es muy habitual designar a las pérdidas de energía hidráulica que sufre el fluido como Pérdidas de Carga, siendo éstas debidas a la fricción entre fluido y las paredes sólidas o también por la fuerte disipación de energía hidráulica que se produce cuando el flujo se ve perturbado por un cambio en su dirección, sentido o área de paso debido a la presencia de componentes tales como adaptadores, codos y curvas, válvulas u otros accesorios . La pérdida de carga que sufre el fluido al atravesar un elemento es generalmente

̅

una función del caudal o velocidad media ( ), de las características del fluido ( ρ y μ), de parámetros geométricos característicos del elemento ( L0,...,Lm,α0,α1,…,αK) y de la rugosidad del material ( ε).

  () Como es habitual en Mecánica de Fluidos el estudio de las pérdidas de carga se realiza de forma adimensional y para ello se define un coeficiente adimensional conocido como coeficiente de pérdidas (K) que es la relación entre las pérdidas de energía mecánica que se producen en el elemento por unidad de masa de fluido

) y una energía cinética por unidad de masa característica del flujo en el elemento (   ⁄) (por ejemplo en un conducto de sección constante esta circulante (

energía cinética por unidad de masa será la del fluido que circula por el conducto).


8


    ( )  Definido este coeficiente es posible escribir la perdida de carga:  ̅      o en función del caudal volumétrico:

Siendo R la característica hidráulica del elemento con dimensiones de altura partido por caudal al cuadrado. De la ecuación de la energía tenemos pues que:

     () 

Calculo de coeficiente de perdidas (K)

Donde:

   

: factor de friccion de Moody : longitud equivalente : diámetro interno del accesorio 

Cálculo de la pérdida de carga en la válvula (hval):

Para la determinación de la pérdida de carga en la válvula se empleara la siguiente formula:

                 


9


              ̅      Despejando tenemos que    ̅ ) Calculo de la velocidad promedio (     

Donde:

: caudal : diámetro interno del accesorio


10


III.

PROCEDIMIENTO DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN:

 Selección

de parámetros y mediciones realizadas del sistema

fluidodinámico En base a datos de acuerdo a nuestros requerimientos tenemos pues una velocidad promedio de fluido a la entrada de 5 m/s; así como también un diámetro interno de tubería de unos 110.387 mm y una viscosidad cinemática de 1x10 -6 m2/s, también se considera una presión de salida de 3 bar y el sistema a T =278 K. Entonces con estos datos procederemos a calcular nuestra longitud equivalente de tubería y para flujo turbulento tenemos que esta es:

 ̅        Como trabajaremos con una válvula de bola y dos tuberías, todas ellas de acero comercial, tendremos que su rugosidad será de: e = 46 µm  Descripción

de los materiales e insumos seleccionados

En primer lugar describiremos las partes del sistema. 

Soldado: Las válvulas de bola soldadas garantizan la ausencia de fugas durante la vida de la válvula, y no requiere de mantenimiento operativo. Esto puede ser un factor muy importante especialmente para válvulas de bola instaladas en tuberías bajo tierra o submarina. También se elige este diseño en fluidos peligrosos.


11




Entrada superior: La bola se puede extraer desmontando la tapa superior. La válvula puede ser reparada en la instalación.



Entrada lateral: Cuerpo de una sola pieza. La bola se monta desde una entrada axial.



Cuerpo partido: El cuerpo lo forma dos o tres piezas. Permite la inspección y mantenimiento de todas las parte internas.

Ahora describiremos las características y rangos generales de la válvula de bola. Rango de Diámetros: 65 mm a 200mm. Conexión a la tubería: Brida. Material para el Cuerpo: Acero Inoxidable: ASTM A-351 CF8M (AISI-316) Materiales para la Bola: Aceros Inoxidable: ASTM A-351 CF8M (AISI-316) Materiales para recubrir superficialmente la Bola: Cromo, Niquel electrolito Materiale para el Asiento: Plásticos: PTFE, PTFA Rangos de Temperatura de Trabajo:-10ºC a 150 (Por el material).


12


 Descripción

del

proceso

de

simulación

del

análisis

fluidodinámico Para el proceso de simulación del análisis fluidodinámico en el software SolidWorks, el fluido considerado será el agua en forma líquida con flujo turbulento y completamente desarrollado y las hipótesis de trabajo como: fluido incompresible, efectos de viscosidad despreciables, es decir se supone que el líquido es ideal y por ello no presenta resistencia al flujo, lo cual posibilita despreciar las pérdidas de energía mecánica producidas por su viscosidad pues, como sabemos durante el movimiento esta genera fuerzas tangenciales entre las diferentes capas de un líquido, también el flujo del líquido se supone estacionario o de régimen estable,esto sucede cuando la velocidad de toda partida de un líquido es igual al pasar por el mismo punto. Para el porcentaje de apertura de la válvula se ira haciendo variar el ángulo que la manija hace con respecto al eje de la tubería en cada análisis a realizar. Como condiciones iniciales del software, tenemos: Thermodynamic

Static Pressure: 0.101325 MPa

parameters

Temperature: 10.00 °C Velocity vector

Velocity

Velocity in X direction: 0 mm/s

parameters

Velocity in Y direction: 0 mm/s Velocity in Z direction: 0 mm/s

Turbulence parameters

Turbulence intensity and length Intensity: 2.00 % Length: 3 mm

Como condiciones de contorno dadas al software, tenemos:


13


Entrada Type

Inlet Volume Flow

Faces

Face<1>@LID2-1

Coordinate system

Face Coordinate System

Reference axis

X Flow vectors direction: Normal to face Volume flow rate normal to face: 1e+007

Flow parameters

mm^3/s Fully developed flow: No Inlet profile: 0

Thermodynamic parameters

Temperature: 10.00 °C Turbulence intensity and length


Intensity: 2.00 % Length: 3 mm

Boundary layer parameters

Boundary layer type: Turbulent

Salida Type

Static Pressure

Faces

Face<2>@LID1-1

Coordinate system

Face Coordinate System

Reference axis

X

Thermodynamic

Static pressure: 0.200000 MPa

parameters

Temperature: 10.00 °C Turbulence intensity and length


Intensity: 2.00 % Length: 3 mm

Boundary layer parameters

Boundary layer type: Turbulent


14


Una vez hecho todo esto, nuestro objetivo será hallar con ayuda del software la presión a la entrada de la tubería para que con este valor poder usar formulación matemática que será descrita en la presentación y discusión de los resultados, para ello en el software usamos el comando surface goals: Type

Surface Goal

Goal type

Static Pressure

Calculate

Average value

Faces

Cara<1>@LID2-1

Coordinate system

Global coordinate system

Use in convergence

On

Los análisis se harán en un nivel de resolución 5.


15


IV.

PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS:

El análisis se hizo haciendo variar el ángulo que hace la manija con respecto al eje de la tubería, unas 7 veces las cuales son para: 30°, 40°, 50° ,60°, 70°, 80°, por efecto de mejor visualización serán colocados en esta parte solo los resultados numéricos para cada ángulo dados por el software SolidWorks y los cálculos hechos, mientras que las gráficas de los distintos parámetros para cada ángulo serán anexadas en el Anexo al final del presente documento.

Cálculos genéricos: Análisis para 30º (ver Anexo Nº 1):

Goal Name SG Av Static Pressure 1

Unit [MPa]

Averaged Value Value 0.293647186 0.292965769

Iterations: 67 Analysis interval: 33 Análisis para 40º (ver Anexo Nº 2):


Unit [MPa]




Unit [MPa]


Iterations: 65 Analysis interval: 33


16


Análisis para 60º (ver Anexo Nº 4):


Unit [MPa]




Unit [MPa]




Unit [MPa]


Iterations: 92 Analysis interval: 30 Entonces una vez proporcionados los datos para la presión de entrada que era lo que buscábamos con el software procedemos a hacer los cálculos con ayuda de las ecuaciones y adjuntándolos en una tabla Excel, tenemos pues:

Angulo

P1

K val

30

0.293647 0.23337436 0.21314897 0.20550181 0.202265 0.200532

115.763981 41.2565102 16.2544165 6.80119412 2.79993644 0.65764824

40 50 60 70 80


17


Como podemos ver en la tabla Excel, los valores siguen un razón exponencial la cual mediante un ajuste de curvas podríamos determinar las curvas que determinan las perdidas por unidad de ángulo, además de que en el análisis no se tomo en cuenta valores de ángulo de apertura menores a 30° debido a que la presión en 1 se dispara a un valor muy alto

RELACION ENTRE EL K DE PERDIDAS Y EL ANGULO DE APERTURA 140 120 Series1

100 S A D I D R E P E D K

Expon. (Series1)

80

y = 2358.3e-0.099x R² = 0.993

60 40 20 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

ANGULO DE APERTURA


18


V.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: - En este trabajo se conoció y se comprendió el funcionamiento de una válvula

de bola, también se hizo un diseño de la misma que sirvió de para su análisis. - Se analizaron las pérdidas de cargas con los porcentajes de aperturas

utilizando el equivalente al giro de la manivela y se vio que este aumenta a medida que aumenta el ángulo.

-

Se compara el coeficiente de carga con el porcentaje de apertura y se vio que este aumenta conforme aumenta el ángulo de la manivela desde cero grados.


19


BIBLIOGRAFÍA.

VI.



Frannk M. White. - Mecánica de los Fluidos. McGraw Hill. 6ta. Edición.



Shames, Irving H. - Mecánica de Fluidos. McGraw Hill. 4ta. Edición.


20


ANEXOS


21


ANEXO 1 ANALISIS DE PRESIONES EN SOLIDWORK Analisis para 30º

Vista superior y frontal

Analisis para 40º



22


Analisis para 50º


Analisis para 60º



23


Analisis para 70º


Analisis para 80º



24


ANEXO 2 ANALISIS DE VELOCIDADES EN SOLIDWORK Analisis para 30º


Analisis para 40º



25


Analisis para 50º


Analisis para 60º



26


Analisis para 70º


Analisis para 80º



27


ANEXO 3 ANALISIS DE TEMPERATURAS EN SOLIDWORK Analisis para 30º

Vista superior

Analisis para 40º

Vista superior


28


Analisis para 50º

Vista superior

Analisis para 60º

Vista superior


29

Analisis de Flujo Interno en Valvula de Bola

Recommend Documents