Porque el aire forma parte inherente de un fluido, encontrándose disuelto en él, y pudiéndose liberar de acuerdo a variaciones de presión y temperatura. Es así como dentro de una tubería llena de agua perteneciente a cualquier red hidráulica es factible encontrar aire en forma de burbujas o formando bolsas de aire, y su presencia puede afectar en mayor o menor grado el comportamiento de la instalación, pudiendo ser la causa de algunos problemas de funcionamiento.

¿Cómo cuáles?

Roturas repetitivas de tuberías por sobre o subpresiones, mayor consumo de energía de los grupos de bombeo, caudales anormalmente inferiores a los de diseño producto de mayores pérdidas de carga, funcionamiento variable del sistema, etc.

¿Cómo se puede mejorar?

Con el adecuado dimensionamiento e instalación de válvulas de venteo, también llamadas válvulas ventosas. Para ello es importante poder hacer un estudio que nos permita determinar si realmente son necesarias, en que cantidad y ademas su correcto dimensionamiento.

¿Que es un estudio de capacidad de porteo?

Este estudio consiste en analizar la capacidad de transporte de líquido que tiene un sistema existente, poniendo énfasis en las pérdidas de carga, de manera de analizar las mejoras que sean factibles de realizar, con el objetivo de minimizar dichas pérdidas y de esta manera aumentar el eficacia y eficiencia del sistema, lo cual se verá reflejado en un mayor caudal transportado y/o una menor cantidad de energía utilizada.

¿Tienes dudas? Puedes escribirnos a : ingenieria@bfschile.com

¿Qué es una válvula de venteo?

Es simplemente un elemento mecánico que permite la gestión adecuada del aire dentro de la tubería, sacándolo e ingresándolo cuando sea requerido.

¿Cuándo opera?

Una válvula de venteo opera principalmente en los siguientes casos:

(a)   Llenado de la línea, sacando grandes cantidades de aire para poder llenar la tubería de agua.

(b)  Vaciado de línea, ingresando grandes volúmenes de aire por un orificio de gran diámetro. Con esto, se permite evitar el colapso producido por la brusca caída de presión en puntos críticos de la tubería.  

(c)   Cuando el sistema se encuentra presurizado, liberando las burbujas que van quedando atrapadas dentro de la línea, a través de un pequeño orificio ubicado en la parte superior de la válvula. Este aire se genera por cambios en la presión o temperatura del fluido, pero también puede venir desde la bomba o estanque, o producto de un resalto hidráulico en sistemas que tienen zonas presurizadas y despresurizadas.

¿Qué tipos existen?

Para poder cumplir con las funciones descritas anteriormente es que existen principalmente tres tipos de válvulas de venteo:

• Purga o automática (también las llaman de mono-función, o de pequeño orificio), las cuales operan sacando aire cuando la línea se encuentra en operación (línea presurizada).
• Aire/vacío o cinética o también llamadas doble efecto, las cuales operan cada vez que hay un vacío en la línea, ya sea llenando o vaciando la misma.
• Combinada o tri-funcional, la que combina los dos tipos anteriores en un solo dispositivo

La importancia de las válvulas de venteo radica en que su buen uso no supone un costo adicional relevante para la inversión de un sistema, pero a la vez genera beneficios que pueden ser perfectamente cuantificables, tales como maximizar eficiencia del sistema de bombeo minimizando las pérdidas de carga, evitar oscilaciones de presión y funcionamiento anómalo de la instrumentación, proteger el sistema de roturas, entre otras.  

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La función de la válvula anticipadora de onda es minimizar las sobrepresiones de la línea durante el fenómeno de transiente hidráulico producida por un apagado descontrolado de una bomba. Esto se logra ya que ésta abre cuando la presión cae y se mantiene abierta cuando la onda de sobrepresión regresa, permitiendo mantener las máximas presiones dentro de los parámetros de diseño y estabilizando la presión luego del fenómeno.

Problemática

En el desarrollo de un proyecto de impulsión de agua se deben tener muchas precauciones. Ya vimos en entradas anteriores de este blog la utilización de válvulas de venteo para poder manejar el aire durante el llenado, vaciado y la operación normal. En este capítulo se aborda otro de los grandes temas de esta índole, el denominado “análisis de transiente hidráulico”. Esto es, el cálculo de la presión y del caudal en tuberías ante la ocurrencia de un cambio brusco en las condiciones del sistema. Este tipo de análisis debe ser realizado bajo distintos escenarios ya que es muy importante para la seguridad y continuidad operacional, puesto que durante el desarrollo de estos fenómenos pueden ocurrir presiones mucho mayores a las presenciadas durante la operación normal.

Datos del sistema (caso de estudio)

El sistema consiste en una impulsión de agua desde una sentina hasta un depósito ubicado a una diferencia de altura de 330 m y a 3.5 km de distancia. El caudal total impulsado es de 152 l/s por una tubería de acero de 18” (450 mm), mediante tres bombas en paralelo (configuración 3+1) con una altura de elevación total de 33.7 bar.

La velocidad de onda en esta tubería es de 1,172 m/s, y se considera una rugosidad absoluta de 0.1 mm para todo el trazado. No existen válvulas ni singularidades importantes en la línea de impulsión. Se considera el uso de válvulas Check con cierre menor a 1 segundo. El tiempo de apagado total de las bombas depende únicamente de su inercia, cuyo valor estimado es de 28 N-m2. El tiempo crítico del sistema es de 5.98 segundos, por lo que se simulan 120 segundos para evaluar los efectos del transiente en más de una oscilación de la onda.

Simulación transiente y planteamiento de la solución

Una vez calculado y validado el régimen permanente, analizamos el fenómeno transiente utilizando el software comercial Kypipe, módulo Surge. En este caso se simula el apagado total y simultáneo de las 3 bombas de manera descontrolada (sin la mediación de un variador de frecuencia, partidor suave o válvula de control), fenómeno usualmente correlacionado con caídas en la tensión eléctrica. De acuerdo a la simulación, la máxima presión alcanzada en la zona de descarga de las bombas (manifold) es de casi 45 bar. La envolvente de presiones máximas y mínimas del sistema (en verde) se muestra a continuación.

Se procede entonces a analizar opciones de equipos de mitigación disponibles en el mercado: Estanques amortiguadores de golpe de ariete, válvula de alivio, válvulas anticipadoras de onda. Se opta por esta última tecnología debido a las ventajas operativas (de relativamente fácil y rápido mantenimiento) y de costo (bajas obras civiles, costos del equipo relativamente bajos) para este sistema en particular. Esto no excluye la factibilidad de uso de otras tecnologías de mitigación, las cuales no se evalúan en este articulo. Se incluye en esta modelación del fenómeno, dos válvulas de venteo de cierre controlado de 4 pulgadas (tipo Non Slam), las cuales habían sido preseleccionadas anteriormente durante el análisis de llenado del sistema.

¿Qué características tiene la solución entregada?

La solución utilizada para este sistema consiste en una válvula anticipadora de onda, modelo Bermad 835-M de 8 pulgadas de diámetro nominal, con cierre ajustado y calibración de alta y baja presión en 34.3 y 26 bar respectivamente. El máximo caudal de descarga de esta válvula durante el fenómeno es de cerca de 500 l/s, por lo que se alcanzan velocidades del orden de 15 m/s durante un breve periodo de tiempo en la tubería de descarga. Se utiliza como parámetros de simulación de la válvula un tiempo de apertura 100% en 3 segundos, y el de cierre en 30 segundos.

Una comparación de los resultados de la presión en función del tiempo entre la simulación con y sin válvula, se presenta en el gráfico siguiente. En rojo la presión con anticipadora, y en magenta sin anticipadora. Se aprecia tanto las disminución de la máxima y de la mínima presión alcanzada, como también la de la oscilación de la onda en el punto, lo que da cuenta de una estabilización del sistema en un tiempo mucho menor al original. Junto a este análisis debe corroborase la correcta apertura y cierre de la válvula durante el periodo simulado.

La solución planteada no excluye la opción de evaluar otras soluciones factibles para este sistema: Se pueden simular válvulas con una capacidad de descarga menor ya sea de manera individual o en paralelo (2 o más), lo que generará diferentes resultados de la presión en la línea. Estas opciones deben evaluarse en función de los resultados y de los criterios de diseño planteados inicialmente, puesto que utilizar varias válvulas permite dar redundancia, como manera de dar seguridad en caso de fallos y durante los periodos de mantenimiento de las válvulas.

 ¿Es un efecto indeseado la caída de la presión?

Un equipo más grande no es necesariamente una mejor solución. Tal y como se presentó en el gráfico de presión en el manifold de las bombas, la utilización de este tipo de equipos provoca que la presión mínima alcanzada en el sistema disminuya (la envolvente de mínimas presiones se acentúa), lo que puede ser riesgoso en sistemas en donde la presión sea baja, ya que aumenta el potencial de producir cavitación durante el fenómeno. Además, equipos sobredimensionados tienden a mantenerse abiertos porque su presión de equilibrio se da por debajo del seteo de baja presión. Por dicha razón es importante evaluar preliminarmente las condiciones existentes en el sistema y de esta manera definir si es factible la instalación de este tipo de válvulas, teniéndose especial precaución en su dimensionamiento asociado a un factor Kv óptimo (y no únicamente respecto a su diámetro de conexión).

La validación de la utilización de una anticipadora de onda siempre debe hacerse comparando las envolventes de onda del sistema sin protección con las del sistema con protección, de manera de chequear que la solución proyectada no genere otras problemáticas. En el gráfico a continuación se aprecia que aunque la mínima presión cayó a lo largo de la línea, no se producen presiones negativas adicionales en el sistema. Se debe verificar en cada caso si las que puedan ocurrir son problemáticas o no, como las que se aprecian en la zona alta de esta impulsión.

Instalación y Calibración de la válvula

Este tipo de válvulas se instala a la salida de los manifold de descargas, en paralelo a las bombas y con una descarga que retorna el flujo a la sentina de succión, de manera de que el fluido a alta velocidad sea conducido de manera segura hasta su disipación en dicho estanque. Esto permite además minimizar la pérdida de agua en el sistema, algo muy importante en tiempos en que éste es un bien muy escaso. Durante el proceso de puesta en marcha se verifica la calibración de los pilotos y se ajusta el cierre mecánico en el actuador, el cual nos permite regular la apertura y así asegurar que durante el proceso la válvula abra y cierre de manera adecuada. En la imagen siguiente se muestra la válvula proyectada instalada. Importante señalar que no existen problemas en que la válvula se instale de manera horizontal o vertical como en el presente ejemplo.

Finalmente, y tal y como se indica en este artículo, se debe realizar el análisis tomando en cuenta diferentes factores tales como el perfil longitudinal del trazado, los caudales de operación, la presión de trabajo y la presión admisible, y en base a ellos definir bien el equipo a utilizar como protección; para luego, en caso de utilizar una válvula anticipadora de onda, poner énfasis en la capacidad del equipo, el seteo de los pilotos, los tiempos de apertura y cierre, y comparar los resultados antes y después de su simulación, de manera de entregar una solución robusta y segura.