MECÁNICA DE FLUIDOS MERCEDES VILLA ACHUPALLAS
VÁLVULAS
VÁLVULAS •
Las válvulas son elementos que juegan un papel
importante en el funcionamiento de la instalación. •
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Misión: controlar el funcionamiento de la instalación Aislar tramos de la instalación. Regular caudales y presiones. Proteger a la instalación de sobrepresiones y/o
subpresiones.
TIPOS DE VÁLVULAS •
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Desde el punto de vista de su accionamiento: Manuales
ð Vá Vállvu vullas de es esfe fera ra:: El di disp spos osititiv ivo o qu que e permite la apertura y el cierre es una esfera, pud udiiendo ad ado optar posiciones intermedias para una apertura parcial. Se emplean en tuberías de pequeño diámetro. ð Vá Vállvu vullas de as asie ient nto: o: El eleme men nto de cierre es un disco que se asienta sobre el cuerpo de la válvula. ð Válvulas de mariposa: El elemento de cierre es un disco giratorio que puede ser accionado mediante una palanca o un tornillo sinfín.
TIPOS DE VÁLVULAS •
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ð Válvulas de compuerta: La válvula se cierra mediante un a compuerta accionada mediante un volante. Automáticas
ð Vá Válv lvul ulas as hi hidr dráu áulilica cass: Se accionan hid idrá rául ulic icam ame ent nte, e, pu pudi die end ndo o se serr de do doss tipos: normalmente abiertas y normalmente cerradas. ð Electroválvulas: Se accionan de forma eléc el éctr tric ica, a, y so son n tí típi pica cass de in inst stal alac acio ione ness automatiz iza adas en las que el rie ieg go se programa por tiempos.
TIPOS DE VÁLVULAS •
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Desde el punto de vista de la función que realizan: ð Válvulas de regulación o llave de paso.
Son unidades que permiten estrangular o interrumpir el paso de una corriente líquida. Un hidrante es, en definitiva, una válvula de regulación que permite derivar agua de una tubería. ð Válvulas de retención: Dispositivos que cons co nsis iste ten n en un una a co comp mpue uert rta a gi gira rato toriria, a, cuya apertura se produce al paso de líquido y su cierre es por gravedad, impidiendo el retroceso.
TIPOS DE VÁLVULAS •
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Es obligado instala larr válv lvu ulas de rete ten nción en puntos estratégicos de la instalación para proteger a la red de las sobrepresiones producidas por el golpe de ariete.
También a la salida del grupo motobomba, y cuando se utiliza en el riego aguas procedentes de conducciones urbanas, antes del punto de inyección de los fertilizantes, de manera que se impida el retroceso del flujo y la contaminación del agua. La válvula de pie es un caso particular de válvula de retención que se instala en la base de la tubería de aspiración para evitar su vaciado (descebado), ya que debe estar llena de agua para su funcionamiento.
TIPOS DE VÁLVULAS •
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ð Vá Válvu lvula lass de se segu gurid ridad ad: Dispositivos que permiten la fuga automática de un caudal líquido para evitar un incremento de presión en la tubería sobre la presión prefijada. Básicamente constan de un elemento móvil sobre el que actúa, por un lado, la presión del agua, y sobre el otro, un resorte calibrado, de manera que la válvula se abre si es mayor la presión del agua, permitiendo la salida de una parte del caudal, lo que provoca una disminución de la presión. ð Vá Válv lvul ula a re redu duct ctor ora a de pr pres esió ión n: Es un dispositivo que produce una pérdida de carga localizada cuando la presión sobrepasa un valor dado. Este tipo de válvulas protegen a la red de sobrepresiones y permiten una presión adecuada en las derivaciones.
TIPOS DE VÁLVULAS •
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ð Válvula reguladora de caudal: Impide el paso de un caudal superior al preestablecido, manteniéndolo constante en un valor prefijado. prefij ado. álv vulas de drenaje: Pe ð Vál Perm rmitite en de desa sag guar la lass tuberías tras el riego, con lo que se evita la formación de depósitos de precipitados y microorganis ism mos. Básic ica amente constan de un resorte que se mantiene cerrado mientras existe presión en la red. álv vula de fl flo ota tad dor : Corta el paso de agua ð Vál cuando su nivel ha alcanzado una determinada altura.
TIPOS DE VÁLVULAS •
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ð Válvulas antidesagüe: Impiden el vaciado de la tubería a través de emisores situados en puntos bajos. ð Ve Vent ntos osas as:: Son unas válvulas que permit ite en l a salida del aire que se acumula en las conducciones de agua.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN •
Para seleccionar una válvula de regulación necesitaremos conocer: • Q máx, Q mín, • Hf, la pérdida de carga requerida, tanto para la situación actual como para un horizonte futuro de funcionamiento.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN •
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La válvula no debe producir una pérdida de carga excesiva cuando se encuentra totalmente abierta. Debe tener una capacidad de regulación en al menos el 50% de su desplazamiento, esto es, cuando la válvula se cierra un 50%, el caudal debe reducirse al menos un 10%. El caudal máximo está limitado por la condición de que el par máximo de cierre sea inferior a la capacidad de un operador (cierre (cierre manual) o un accionador (cierre asistido).
FENÓMENOS TRANSITORIOS
FENÓMENOS TRANSITORIOS •
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Se conoce con el nombre de “transitorios” a los fenómenos de variación de presiones en las conducciones a presión, motivadas en variaciones proporcionales en las velocidades. De aquí que los fenómenos transitorios, objeto de nuestro estudio son: •
Cavitación
y
Golpe de Ariete
CAVITACIÓN
CAVITACIÓN La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista , produciendo u na descompresión del fluido. Ocurre que se alcanza la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas. Lass burbuj La uja as fo forrma mada dass vi viaj aja an a zona nass de mayor pr pres esió ión n e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «apla «a plastá stándo ndose» se» bru brusca scamen mente te las bur burbu bujas jas)) pr prod oduc ucie iend ndo o un una a estela de gas y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno.
ORIGEN!!!! •
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Un liquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor. La condición de paso de líquido líqui do a vapor depende de dos parámetros: •
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Temperatura Presión
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La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.
IMPLOSIÓN DE UNA BURBUJA
IMPLOSIÓN DE UNA BURBUJA
CURVA DE PRESIÓN DE VAPOR •
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Cuando la presión decrece, el proceso de evaporación comienza a una temperatura menor. Ejemplo:
A una presión de 0.02 bares el agua se evapora a u na temperatura aproximada de 18°C.
CÓMO SE ALCANZA UNA PRESIÓN DEL AGUA MENOR A LA PRESIÓN DE VAPOR?? •
El agua que fluye por las tuberías está generalmente a presión, producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas (proveniente de un depósito) y es considerablemente mayor que la presión de vapor.
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Para comprender por que razón la presión del agua en el punto de estrangulamiento de una válvula llega a ser menor que la presión de vapor, estudiaremos el balance de energia de el fluido.
BALANCE DE ENERGÍA EN UN FLUIDO
BALANCE DE ENERGÍA EN UN FLUIDO
CAÍDA DE PRESIÓN EN EL INTERIOR DE UNA VÁLVULA
CAÍDA DE PRESIÓN EN EL INTERIOR DE UNA VÁLVULA •
En el interior del cuerpo de una válvula de regulación, cuando
se
encuentra
parcialmente
cerrada,
la
velocidad local del flujo a su paso por el cierre puede alca al canz nzar ar va valo lore ress mu muy y el elev evad ados os. El incremento de la
energía cinética del flujo en la zona del cierre de la válvula se consigue por intercambio con la energía de presión de modo que la presión, localmente, puede alcanzar los valores de la presión de vapor del agua.
EFECTOS DEL FENÓMENO???? La
cavitació ión n destruirá los sólid ido os de las
paredes: los metales
duros,
cuarzo, metales nobles, etc.
Ruidos y golpeteos
Vibraciones Desgaste
del material
concreto,
CUÁNDO PUEDE GENERARSE???? •
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La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de velocidad del líquido. Ejemplos: En partes móviles: Álabes de turbinas Hélices de barcos
En partes no móviles: Estrangulamientos bruscos en válvulas reguladoras
CAVITACIÓN EN HÉLICES DE BARCOS •
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Las hélices de un barco se mueven dentro de un fluido, las áreas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a través de los álabes. Cuanto más rápido se mueven los álabes menor es la l a presión alrededor de los mismos. Cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza v aporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas de presión audibles y desgaste de sus hélices.
DAÑOS TÍPICOS POR CAVITACIÓN
DAÑOS POR CAVITACIÓN
GOLPE DE ARIETE
GOLPE DE ARIETE
PROCESO DE CIERRE DE UNA VÁLVULA •
El cierre instantáneo de una válvula al final de una tubería que sale de un depósito:
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1.- No hay perturbación:
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2.- Tiempo «0» (cero), en que la válvula queda
completamente cerrada:
Al fin ina aliliza zarr la pr prim ime era fase de dell tr tran ansi sittorio se encuentra una situación claramente inestable: la presión constante en el interior del depósito es inferior a la de la tubería, sometida a los efe fect cto os de la sobrepre ressió ión n de derriv iva ada de la detención del fluido.
El sistema tiende a restablecer el equilibrio mediante el inicio de un retroceso del fluido hacia el depósito.
En ausencia de pérdid ida as, la anulació ión n completa de la velocidad en las proximidades de la válvula se consigue a cambio de una reducción del nivel de presiones en la misma de valor ∆H. Esta situación no se mantiene únicamente en las proximidades de la válvula sino que se extiende hacia el resto de la conducción hacia la válvula, depósito.
Esta es la últim ima a fase del transit ito orio que se orig igin ina a de una sit itu uació ión n ene nerrgé géttic ica ament nte e desequilibrada en las proximidades del depósito originada por la onda de presión característica. La presencia de las pérdid ida as hace que estos ciclos no se repit ita an indefinidament indef inidamente, e, sino que prog progresivam resivamente ente vayan amort amortiguándo iguándose se hasta alcanzar un equilibrio.
CELERIDAD
D: Diámetro de la tubería (mm) e: Espesor de la l a tubería (mm)
ESQUEMA GENERAL
CASOS EN LOS QUE SE PUEDE PRODUCIR EL FENÓMENO •
Existen diversas maniobras donde se induce el fenómeno: •
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Cierre y Apertura de Válvulas. Arranque de Bombas. Detención de Bombas. Funcionamiento inestable de bombas. Llenado inicial de tuberías. Sistemas de Protección contra Incendios.
En gen ener eral al,, el fe fenó nóm men eno o ap apar arec ecer erá á cu cuan ando do,, po porr cu cual alqu quie ier r causa, en una tubería se produzcan variaciones de velocidad y, por consiguiente, en la presión. Como puede observarse del listado anterior todos estos fen enóm ómen enos os se pro rodu duc cen en man anio iob bra rass nec eces esar aria iass par ara a el adecuado manejo y operación del recurso, por lo que debemos tener presente que su frecuencia es importante y no un fenómeno eventual.
PROTECCIONES CONTRA EL GOLPE DE ARIETE
EJERCICIO
Para calcular la longitud crítica necesitamos un solo valor de la celeridad y al tener en nuestra instalación tuberías con diferentes diámetros y espesores, procedemos de la siguiente manera:
Para obtener un solo valor de celeridad hacemos una media ponderada de la celeridad en cada tramo:
Por tanto, la Celeridad esta dada por:
Pero, para poder determinar ∆H, ∆H, primero necesitamos necesitamos conocer la velocidad media equivalente, que estará dada por:
El diámetro interno de la tubería esta dado por la diferencia entre el diám ámeetro nom omiinal y el esp speeso sorr de la tubería.
Por continuidad: Q=A.V
Una vez definidas: V; c; se puede proceder a determinar la ∆H, correspondiente a la diferencia de presión generada por el Golpe de Ariete.
A continuación representamos junto con el resto de información requerida y según nuestro perfil, unos 800 m de la conducción se encontraría en presion iones negativa ivas y unos 338,5 8,55 m en cavitación ión.
Este ejercicio se realizo a mano, con la ayuda de una hoja milimitrada y la escala indicada, se logra graficar las diferencias de presiones.
ZÜtv|tá‹‹‹‹‹‹‹4
