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Cavitación en Válvulas Mariposa. 1.- General. Normalmente las válvulas mariposa se utilizan como válvulas de mantención o de seguridad y su operación normal es abierta 100% (abertura) o bien cerrada. Cuando la válvula se utiliza utiliza para regular el caudal caudal de una tubería, su operación debe analizarse para verificar si se producirá cavitación significativa que pueda dañar a la válvula y a la tubería. 2.- El fenómeno de la cavitación. La cavitación se produce cuando hay vaporización del líquido y su posterior violenta condensación debido a la existencia de zonas de baja presión en una conducción a presión. Cuando el agua fluye a través de una válvula mariposa, parcialmente abierta, se produce una gran zona de bajas presiones localizada aguas abajo del disco de la válvula debido a los bruscos cambios de velocidad del flujo. Cuando la presión en esta zona cae bajo la presión de vapor del fluido, el líquido se evapora ev apora formando nubes de burbujas de vapor. Cuando las burbujas fluyen hacia aguas abajo y la presión se recupera, las burbujas colapsan violentamente o implosionan. Medidas han mostrado que pueden generarse presiones presiones de 100.000 [psi] (689 [MPa]) debido a la l a implosión de las burbujas. Estas implosiones rápidas producen algunos efectos como ruido ensordecedor de unos 100 [db], (como si pasaran piedras por la conducción). Cuando la cavitación está completamente desarrollada el flujo se ahoga y el caudal no responde a la diferencial de la presión.
Figura 1. Cavitación aguas debajo de una válvula mariposa de disco.
La Figura 1 muestra el cono de baja presión aguas abajo del disco de la válvula mariposa y las burbujas de vapor pueden implosionar, justo aguas abajo del
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disco o a varios diámetros de la tubería hacia aguas abajo dependiendo donde la presión se recupera. Muchas de estas válvulas producen cavitación cuando el disco está cerca de su posición de cierre debido a que el diferencial de presión es muy elevado. Sin embargo, en la mayoría de los casos, estas válvulas están cerca de su posición de cierre por cortos períodos de tiempo y no se produce un daño apreciable. Cuando una válvula está expuesta continuamente a las condiciones de cavitación, como el caso de una válvula reguladora de caudal, puede producirse un daño significativo en la superficie metálica de la válvula o en la tubería de aguas abajo en cortos períodos de tiempo. De aquí que la regulación con una válvula mariposa requiere garantizar las condiciones de cavitación. 3.- Definición de diversos tipos de cavitación. 3.1.- Cavitación incipiente. El inicio de la cavitación ocurre normalmente sobre un área restringida. No hay ruido apreciable ni daños, excepto cuando sólo una pequeña parte del flujo está comprometido como por ejemplo una pequeña sobreelevación o un elemento rugoso. 3.2.- Cavitación crítica o constante. Se refiere a una cavitación leve y continua, el ruido puede ser asimilado al sonido de gravas y piedras que se mueven en el interior de la conducción. Ruido y vibraciones son aceptables y sólo pequeños daños pueden ser esperados después de largos períodos de operación. Muchas veces se adopta como criterio de diseño límite aceptable para varios elementos de un sistema hidráulico. 3.3.- Cavitación generalizada (choking cavitation). Este tipo de cavitación se produce cuando se llega a la presión más baja posible a la salida del elemento considerado, después de la cual el flujo no es afectado por la presión de aguas abajo. Cuando se llega al umbral de la cavitación generalizada los ruidos y vibraciones llegan a un máximo para después decrecer. Si más allá de la cavitación generalizada se aumenta la presión de aguas arriba, se genera la condición de una supercavitación. En esta situación la región del colapso se mueve hacia aguas abajo produciéndose más daños en la tubería de aguas abajo.
4.- Predicción de la cavitación.
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La experiencia muestra que las condiciones que producen cavitación en una válvula mariposa u otro dispositivo de un sistema hidráulico, puede ser previstas y por lo tanto prevenida. En las válvulas y dispositivos que producen una pérdida de carga, se utilizan dos parámetros comúnmente:
P u
Presión
P d P v P u
P d
(4-1)
aguas arriba de la válvula en [kPa].
P d = Presión aguas abajo de la válvula medida a 10 diámetros de la válvula.
P v
Presión de vaporización del líquido en [kPa]. Presión del vapor ajustada a
la temperatura y la presión atmosférica en [kPa], ( -97,5 [kPa] para agua a 16º C medida a nivel del mar). También se utiliza el parámetro
c
c
definido mediante la relación (4-2): P u
P d
P u
P v
(4-2)
Ambos parámetros están relacionados por la ecuación: c
1 ( 1)
(4-3)
Los parámetros de cavitación incipiente, crítica y generalizada pueden determinarse mediante pruebas. La cavitación puede ser detectada usando un hidrófono o un acelerómetro durante la prueba. La figura 2 muestra el resultado de una prueba de una válvula mariposa de D 150 [mm] (P. Tullis 1989). A modo de ejemplo: Si la válvula está abierta en un 50% y el cálculo del parámetro de cavitación es 7 , no se producirá cavitación incipiente. Si la válvula se cierra a un 30% y el parámetro de cavitación alcanza el valor de 3,5 , se producirá cavitación en el rango entre incipiente y constante. Los datos de cavitación son típicamente obtenidos para una válvula de un determinado diámetro y pruebas con presiones fijadas por aguas arriba. Para traspasar los datos a otros casos, los resultados deben corregirse por factores de escala.
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Figura 2. Coeficientes de cavitación para una válvula mariposa D=150 [mm] (según P. Tullis, 1989).
5.- Procedimiento propuesto por D.S. Miller (Internal Flow Systems).
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Este autor propone un procedimiento basado en las velocidades del escurrimiento en la válvula, fijando los límites que pueden generar cavitación en la válvula. La figura 3 muestra 3 tipos de válvulas mariposa (A, B y C) y se dan los coeficientes de pérdidas de carga para distintos ángulos de abertura del disco. Si el coeficiente de pérdida de carga no es conocido, asimile el caso en estudio a un tipo de válvula mostrada en la figura indicada y obtenga los coeficientes de pérdida de carga respectivos, considerando que puede producirse una variación mayor del 10% en el valor del coeficiente, particularmente cuando la válvula está casi cerrada ya que los tipos de sellos de las válvulas son muy importantes.
Figura 3. Coeficientes de pérdida de carga para válvulas mariposa.
La figura 4 indica las velocidades de cavitación incipiente
U ir ,
de cavitación
crítica U cr y tentativamente la cavitación generalizada o “choking” U chr en función del coeficiente de pérdida K v , para distintas aberturas de la válvula. Las condiciones de la figura 4 se refieren a una válvula de diámetro de 0,31 [m] y una presión de aguas arriba menos la presión de vapor de 50 [m]. Para
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corregir estas velocidades para otros tamaños de válvula y de presión de aguas arriba, utilice la relación: U i o U c C 1U r (
hu hv 50
) 0,39 (5-1)
El factor correctivo C 1 puede ser tomado de la figura 5, el cual depende del coeficiente de pérdida K v y del diámetro de la válvula " D" . Las velocidades U i y U c corresponden a las velocidades de cavitación incipiente y crítica de la válvula que se analiza y U r corresponde a la velocidad
U ir y
U cr del gráfico de
la figura 4.
Figura 4. Velocidades de cavitación de válvulas mariposa.
Para determinar la velocidad de cavitación generalizada o “choking” para otras cargas, use la relación (5-2):
7
U ch U chr (
hu hv 50
) 0,50 (5-2)
Figura 5. Coeficiente C1 dependiendo del diámetro de la válvula.
6.- Procedimiento propuesto por el fabricante WAG. Este fabricante en sus catálogos de válvulas Mariposa entrega el diagrama de la Figura 6, para sus válvulas tipo EKN. La Figura 7 muestra un corte transversal de una válvula de este tipo de operación manual. 7.- Ejemplo 1. Una válvula mariposa de D=0,80 [m] se ubica en el punto bajo de una tubería que comunica 2 estanques. El estanque superior tiene su nivel a la cota 67 [msnm] y el estanque receptor tiene su nivel a la cota 20 [msnm]. El eje de la válvula mariposa tiene la cota 2 [msnm]. Se ha establecido que la pérdida de carga de la tubería aguas arriba de la válvula se determina con la expresión 17
v2
2 g
, siendo "v" la velocidad media
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Figura 6. Gráfico del Fabricante WAG
Figura 7. Corte de Válv. Mariposa tipo “EKN”.
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de la tubería y la pérdida de la tubería de aguas abajo queda dada por la expresión 7
v
2
2 g
.
Entre los estanques hay una altura bruta de H 0 47 [m] y admitiendo las pérdidas singulares de 0,5 v
v
2
2 g
en la salida del estanque de aguas arriba y de
2
2 g
en la entrada al estanque de aguas abajo y K v el coeficiente de la pérdida
del escurrimiento en la válvula, se obtiene: H 0 17 7 1,5 K v
v2 2 g
v
2 g 47 25,5 K v
El valor de " K v " se puede obtener del gráfico de la figura 3. En el cuadro de cálculo se utiliza la curva tipo B.
Abert. 0º 20º 40º 60º 90º
Kv
160 26 3 0,2
Vm/s 0 2,228 4,229 5,685 5,987
Qm3 /s 0 1,120 2,126 2,858 3,009
hu (m) 65 60,568 49,032 36,144 32,996
hd (m) 18 20,026 25,299 31,192 32,630
hv(m) -9,80 “ “ “ “
0,73 1,42 6,21 51,25
Cav. Si Si No No
A un resultado similar se llega usando el método propuesto Miller en el Internal Flow. Ejemplo 2. Una instalación de una obra de entrega para el regadío desde un embalse, se efectúa mediante una tubería de acero de D=2,50 [m]. La válvula de regulación es del tipo Howell-Bunger de D=2,00 [m]. Aguas arriba se instaló una válvula de mantención tipo Mariposa de D=2,50 [m]. Entre ambas válvulas existe un cono convergente que une ambos conductos. Aguas arriba de la válvula Mariposa se registra una altura de presión de H 73,50 [m] y la a 0,30 (C Q 0,55) . La válvula de abertura de la válvula de servicio es de D emergencia está plenamente abierta y tiene un coeficiente de pérdida de carga
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K v 0,15 . La pérdida de carga del cono convergente puede determinarse con la
relación: P cono
0,1 (
v2
) 2 g
Se desea verificar la condición de cavitación de la válvula Mariposa. El caudal evacuado por las válvulas en serie es: Q
A HB 2 g H 2 2 1 A HB A HB 1,1 1 A 2 K v A 2 C 2 1 VM VM Q
A HB área de válvula Howell-Bunger. AVM = área de válvula Mariposa.
68,5
3
m / s
