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VALVULAS La conducción o transporte de fluidos por medio de tuberías, requieren el control del flujo, su regulación, o impedir que este pueda retornar en contra de un determinado sentido de circulación, así también como mantener el flujo a una determinada presión de servicio o liberar el exceso de presión cuando esta sobrepasa límites de seguridad; son las distintas funciones que desempeñan las válvulas. Es por ello que a continuación presentaremos distintos tipos de válvulas:

Va1vulas de Compuerta (permitir el paso de un flujo o detenerlo) El elemento de cierre de este tipo de válvula es una compuerta de forma rectangular o circular, cuyos planos extremos pueden ser paralelos o en cuña. En el proceso de apertura o cierre, la compuerta se desliza a través de ranuras o guías, practicadas en el cuerpo de la válvula. El elemento de cierre puede ser accionado mediante un eje de transmisión a tracción o rotatorio, según el modelo; se requieren torques de cierta magnitud para accionarlas, tanto mayores cuanto lo sean las presiones diferenciales, justificándose la instalaci6n de conexiones laterales para equilibrar presiones. Son utilizadas cuando se debe abrir o cerrar por completo el paso de un fluido, son convenientes dado a que su construcción interior cuando están cerradas producen un cierre hermético y cuando se abren completamente permiten el máximo paso al fluido, con la mínima perdida de carga ya que la válvula facilita el paso en línea recta y mantiene la misma ara que la tubería. En posición de cierre, l a s válvulas de compuerta garantizan una buena estanqueidad, y en completa apertura, u n a pérdida localizada de energía de reducida magnitud.

Válvulas de Globo (regular o limitar el flujo) Las válvulas de globo están caracterizadas por un elemento obturador circular, solidario a un vástago de desplazamiento, generalmente vertical, el cual cierra contra un asiento de igual geometría, contenido en el cuerpo de la válvula y perpendicular al eje de la tubería. El flujo en su paso a través de la válvula cambia su dirección en 90°, para luego retornar al alineamiento original. La configuración de la válvula, determina perdidas de energía considerable, recomendándose el uso de estos dispositivos como elementos de control en sistemas de conducción o regular el flujo; pero tienen distintas aplicaciones desde el control de caudal hasta el control abierto-cerrado. Estas válvulas tienen sus asientos construidos de tal modo que producen un cambio en la dirección del flujo que las atraviese, incrementando su resistencia al paso en forma gradual. En sí, permiten regular el paso del fluido, el cual al pasar por la válvula cambia de dirección debido a su diseño por lo que ofrece una gran resistencia a su circulación.

Válvulas de Retención (evitar el retorno del flujo) Entre los diversos tipos de válvulas para el control direccional de flujo, o de retención, se describe el modelo más común, el cual está constituido par una placa circular, articulada al cuerpo de la válvula mediante un eje tangencial generalmente horizontal. Bajo condiciones normales de operación, el elemento de cierre es sostenido para la acción hidrodinámica del flujo. Una vez que se interrumpe el movimiento, la compuerta cae por efecto de su propio peso, o ayudada par un contrapeso. Está diseñada para cumplir una función que es permitir el paso del flujo solo en una dirección, de modo que el sentido del flujo las abre, mientras que la fuerza de gravedad y el contrasentido del mismo flujo las cierra. Se utilizan para impedir la inversión del sentido del flujo en ciertos sectores o equipos complementarios de las aducciones. Por ejemplo, si los grupos de bombeo de una estación, por restricciones electro-mecánicas, no pueden admitir rotaciones en el sentido contrario al normal, se podrán instalar válvulas de retención en los ramales de salida de las unidades, las que también evitaran el vaciado de la tubería de impulsión .Por otra parte, una válvula denominada de pie, colocada en la tubería de entrada a la succión de una bomba puede mantenerla cebada.

Válvulas de Paso Anular El obturador de este tipo de válvula está constituido por un órgano que t r a n s f o r m a la sección de flujo circular a una superficie anular. Ese elemento, de forma fluido-dinámica es accionado bien sea por un vástago de manivela o por un eje de transmisión roscado. Su movimiento es en la misma dirección que el flujo, verificándose el cierre mediante el empuje del embolo contra un asiento circular de la válvula soldada a su cuerpo. El fluido pasa rodeando el obturador. También el mecanismo de cierre puede ser accionado por medio de un contrapeso, controlado este, a su vez, mediante un freno o1eo-hidraulico. El obturador de forma cónica, se desplaza en la dirección axial de la tubería Son adecuadas para tiempos de maniobra controlados, al ser instaladas en estaciones de bombeo. Las características de este tipo de válvulas les permiten operar adecuadamente como elementos de control en sistemas de conducción, bien sea del gasto o de la presión. La geometría del órgano de cierre, le confiere la posibilidad de ejecutar un estrangulamiento gradual del flujo, reduciendo o evitando, en razón de la simetría dinámica axial, los problemas de vibraciones, la f o r m a fluido-dinámica de estas válvulas les permite mantener las presiones elevadas en la periferia de la aguja, disminuyendo, así, el riesgo de cavitación.

Válvulas de Diafragma Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación. En las válvulas de Diafragma se aíslan el fluido de las partes del mecanismo de operación. Esto las hace idóneas en servicios corrosivos o viscosos, ya que se evita cualquier contaminación hacia o del exterior. La estanqueidad se consigue mediante una membrana flexible, generalmente de elastómero, pudiendo ser reforzada con algún metal, que se tensa por efecto de un eje-punzón de movimiento lineal, hasta hacer contacto con el cuerpo que hace de asiento. Son de rápida abertura, y se pueden en dividir en dos: Weir (paso restringido, se puede usar en servicios de apertura, cierre y regulación), Straightway (paso directo, solo se usan en servicio de apertura y cierre). Se utilizan para el corte y estrangulación de líquidos que pueden llevar una gran cantidad de sólidos en suspensión. Las aplicaciones d este tipo de válvula son principalmente para presiones bajas y pastas agudas que a la mayoría de equipos los corroerían y obstruirían. DIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS: Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos 1. Los valores normales y límites de presión que soporta el cuerpo de la válvula 2. Característica de flujo y rangeabilidad 3. Caudal de fuga 4. Pérdidas de presiones normales y cuando la válvula está cerrada Un criterio importante es la característica inherente de flujo que define la relación caudal - apertura del elemento final de control cuando la caída de presión a través de la válvula se mantiene constante. En forma equivalente, la característica de flujo inherente es la relación entre coeficiente de flujo Cv y la apertura. Las características inherentes de flujo típicas son: lineal, igual porcentaje, parabólica y apertura rápida. Dimensionamiento de válvulas de control Una vez seleccionado el tipo de válvula teniendo en cuenta los aspectos enunciados anteriormente se la debe dimensionar.

La ecuación general de flujo de una válvula de control se obtuvo gracias a los esfuerzos de Daniel Bernoulli y a pruebas experimentales:

∆𝑃𝑣

𝐹 = 𝐶𝑉 √

𝛾

[1]

F = Caudal [gpm] P1 = presión aguas arriba Cv = Coeficiente de dimensionamiento de la P2 = Presión aguas abajo válvula. Determinado midiendo el caudal de γ = Densidad relativa que circula a caída de presión constante a 60 F Dimensionar una válvula significa determinar el diámetro del orificio de manera que cuando deba circular el caudal normal mínimo y normal máximo las aperturas se encuentren en el tramo intermedio de su carrera (entre el 30 y el 70 %). La apertura será del 100 % para el caudal máximo. Con estas condiciones de cálculo se aseguran capacidad de regulación y rangeabilidad adecuadas. Procedimiento general para el dimensionamiento: 1. Determinar la caída de presión a través de la válvula ΔPv. Hay dos situaciones para fijar el salto de presión: a) La válvula se instalará en una línea existente. Planteando el balance de presiones (Teorema de Bernoulli) se puede conocer la distribución de presiones en la línea dónde se montará la válvula. Se deben considerar las pérdidas. b) La válvula estará en una línea nueva en la que se deben especificar los sistemas de impulsión inclusive. Un heurístico propone que se establezca en 50% de la caída de presión en la línea sin válvula (33% de la caída de presión total). 2. Determinación de los caudales de operación Se deben conocer los caudales normales de trabajo (máximo y mínimo): FNmín, FNmáx. Al caudal máximo (válvula completamente abierta) se lo puede calcular como el máximo que circularía si válvula estaría completamente abierta. Se puede adoptar como estimación 1.25 veces el caudal normal máximo. 3. Cálculo de Cv para líquidos • Si la viscosidad cinemática es ≥ 20 cst el régimen es laminar y la ecuación del coeficiente de descarga de la válvula es: 𝐶𝑉 = 0.072 (

𝜇[𝑐𝑝]𝐹[𝑔𝑝𝑚] 2/3 ) ∆𝑃𝑉 [𝑝𝑠𝑖]

[2]

• Si la viscosidad cinemática es ≤ 20 cst el régimen es turbulento y se debe analizar: Si hay riesgo de cavitación incipiente que se da para las válvulas con alto coeficiente de recuperación de la caída de presión a la salida del mismo respecto a la que se produciría en a la vena contracta. Si el flujo es crítico (flasheo) ó subcrítico. Estas tres situaciones deben ser identificadas para la caída de presión que debe utilizarse para el cálculo de Cv de la válvula Verificación de cavitación incipiente. La válvula cavitará si: * ΔPv ≥ Kc (P1 – Pv) [3]

P1 = presión aguas arriba Pv = Presión de vapor del fluido a la temperatura de trabajo Kc= coeficiente de cavitación incipiente, suministrado por el fabricante En este caso se usa la ecuación [1] para el cálculo de Cv pero la caída máxima de presión admisible será ΔPv = Kc (P1 – Pv) y este es el valor que se usa. Verificación de flujo crítico ó subcrítico Flujo critico Flujo subcritico 2 2 ∆𝑃𝑉 ≥ 𝐶𝑓 ∆𝑃𝑠 [4] ∆𝑃𝑉 < 𝐶𝑓 ∆𝑃𝑠 [8] 𝑃

∆𝑃𝑆 = 𝑃1 [0.96 − 0.28√ 𝑃𝑉] 𝑃𝑉 𝑐

[5]

Pc: presión crítica Cf: factor de fluido crítico suministrado por el fabricante Si Pv < 0.5 P1 ΔPs= P1 – Pv

Vale la simplificación de la ecuación [7] si se cumple la ecuación [6]. En este caso en la ecuación [1] para el cálculo de Cv se usa el ΔPv calculado.

[6] [7]

En este caso se usa la ecuación [1] para el cálculo de Cv pero la caída máxima de presión admisible será ΔPv = 𝐶𝑓2 Δ𝑃𝑠 y éste es el valor que se usa. 4. Determinación del diámetro Del catálogo se determina el diámetro de la válvula según el Cv requerido en función de la apertura. Si el diámetro de la válvula y cañería son los mismos allí termina el dimensionamiento. Debe tenerse en cuenta que el Cv disponible por el fabricante puede ser mayor que el requerido lo que con lleva al cálculo de los nuevos caudales. Si el diámetro de la válvula y la cañería son diferentes se debe tener en cuenta la pérdida de carga adicional usando un factor de corrección para recalcular el Cv requerido. El Cv corregido se calcula como: 𝐶𝑉𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 =

𝐶𝑉𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑅

[9]

R: Factor de corrección de capacidad por reducción

Bibliografía Bellera Vilar, C., Fernandez, E., & Serna Cantero, A. (14 de Junio de 2010). recercat. (O. Benito, Ed.) Recuperado el Diciembre de 2017, de http://www.recercat.cat/bitstream/handle/2072/151832/PFC_esAAcle_v02.pdf Mendez, M. V. (1995). Tuberias a presion en los sitemas de abastecimiento de aguas. . Caracas, Venezuela. Valvulas, Tuberias y Accesorios. (s.f.). Recuperado el Diciembre de 2017, de http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan/017069/017069-13.pdf

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http://materias.fi.uba.ar/6722/VALVEs20054.pdf http://www.academia.edu/8588413/Greene_Richard__Valvulas_seleccion_Uso_Y_Mantenimiento_.PDF https://es.pdfcoke.com/document/55156843/Dimensionamiento-de-valvulas