0. Previo
1. Introducción
Las válvulas son uno de los elementos más importantes de una red de distribución de cualquier fluido. Gracias a ellas podemos controlar el sistema: regular caudal, presión, niveles en un depósito, proteger contra sobre-velocidad, sobre-presiones o inundaciones, cerrar un sector, hacer una toma en carga o simplemente cortar el suministro.
Esta importancia de las válvulas exige que la calidad de las mismas sea la adecuada. Son elementos cuyo correcto funcionamiento es de suma importancia. En el caso de las válvulas de regulación es aún más patente al ser elementos que están continuamente trabajando y de cuyo funcionamiento depende el control de nuestro sistema. Pero esta calidad debe extenderse también a las válvulas de corte. El poder aislar un sector por cualquier motivo es una operación de importancia y en el caso de válvulas de baja calidad es frecuente encontrarse con el problema de que estas no cierran de manera estanca o que no se pueden abrir o cerrar al haber quedado atascadas por el óxido o los depósitos calcáreos. A esta calidad de las válvulas debe unirse un mantenimiento adecuado. Deben abrirse y cerrarse cada cierto tiempo para garantizar que lo harán correctamente cuando lo necesitemos. Existen dispositivos para facilitar esta labor de mantenimiento (Fig 1)
Fig. 1 – Válvula de compuerta (válvula de corte) y dispositivo de accionamiento para mantenimiento
De hecho, el coste de las válvulas representa normalmente un pequeño porcentaje del total de una instalación y en cambio los posibles costes causados por la mala calidad de las mismas (reparaciones, roturas, fallos en el sistema, etc.) superan en mucho la diferencia del precio de compra. Por no hablar de válvulas de seguridad o de regulación de las que depende el funcionamiento y la integridad del resto de la instalación.
2. Control variables hidráulicas. Válvulas de control
Como se indicaba en la introducción las válvulas de regulación son aquellas que, como su nombre indica, nos sirven para controlar las variables hidráulicas del sistema (presión, caudal, nivel), para proteger el sistema frente a sobre-presiones (válvulas de alivio, válvulas anti-ariete), controlar el sentido de flujo (válvulas de retención), proteger contra-inundaciones, evacuar o permitir la entrada de aire en las conducciones (ventosas). En esto se distinguen de las válvulas de corte o aislamiento cuya función es exclusivamente permitir el paso o no, o expresándolo de otro modo, hacer de puertas, es lo que se llama funcionamiento "todo o nada", son válvulas que están totalmente abiertas o totalmente cerradas. Las en cambio válvulas de regulación trabajan en diferentes grados de apertura según sea necesario.
Las válvulas reguladoras, por tanto, en esencia, lo que hacen es dificultar el paso del fluido en mayor o menor medida dependiendo del grado de apertura y de la característica hidráulica de la válvula. Así pues las válvulas de regulación es un elemento que provoca pérdidas de carga o lo que es lo mismo es un elemento disipador de energía. Es importante hacer esta matización porque el sistema ideal sería aquel en el que el diámetro de las conducciones, la altura de los depósitos y el resto de elementos estuvieran diseñados de manera que no fueran necesarias las válvulas de regulación.
De hecho, una válvula de control puede ser sustituida por cualquier otro elemento disipador de energía que cree la misma pérdida de carga (placa orificio, estrechamiento, etc.). El motivo por el que son necesarias las válvulas es porque la demanda y las condiciones hidráulicas en las redes suele ser variable por lo que no nos vale con una pérdida de carga fija y necesitamos un elemento que nos permita variar esta pérdida de carga, es decir, regular.
Variables hidráulicas
- Aguas-arriba: Se controla y mantiene una presión aguas-arriba (válvulas sostenedoras o mantenedoras de presión,)
- Aguas-abajo: Se controla y mantiene una presión aguas-abajo (válvulas reductoras de presión)
- Presión diferencial: Se controla y mantiene una pérdida de carga a través de la propia válvula o de otro elemento (válvulas de control de presión diferencial)
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Fig. 2 – Ejemplos de control |
Esto es un error puesto que la válvula como explicábamos siempre realiza la misma función que es la de crear una pérdida de carga, por lo que la válvula puede ser la misma. La diferencia no está en la válvula sino en la variable que vamos a elegir para controlar.
Así pues, cuando regulamos caudal con una válvula (manteniendo la variable caudal) lo que hacemos es crear una pérdida de carga con la válvula, la pérdida de carga necesaria para establecer ese caudal consigna, pero igualmente estamos reduciendo la presión. Cuando por el contrario queremos regular presión, el hecho de hacerlo también afectará por tanto al caudal.
No existen, por tanto, válvulas específicas en lo que a su diseño como elemento se refiere, para controlar las diferentes variables hidráulicas, lo que varían son los elementos que comandarán la válvula.
Válvulas de control
Las válvulas de regulación abarcan una gran variedad de diseños, en el presente tema nos vamos a centrar en las válvulas de regulación más típicas. No se va a tratar sobre válvulas de retención, de seguridad ni ventosas
No obstante, y como veremos, es muy difícil, por no decir imposible, establecer límites rígidos puesto que en principio cualquier válvula no deja de ser un elemento de cierre y en mayor o menor medida puede realizar cualquier función. Así una válvula típica de aislamiento como la de mariposa se puede utilizar como válvula de regulación, o una de esfera como válvula de regulación de descarga de fondo en una presa. También nos podemos encontrar con válvulas de mariposa o de paso anular actuando como válvulas de retención. En cualquier caso, hay algunas consideraciones a tener en cuenta que acabaran recomendado el uso de cada tipo de válvula para unas aplicaciones específicas.
3. Características de las válvulas de control
Como se ha mencionado anteriormente, todas las válvulas en su recorrido desde la posición de apertura completa (100%) a la de cierre (0%) van incrementando la resistencia en la instalación por lo que de una u otra manera se puede regular con las mismas ya que son un elemento de resistencia variable.
A pesar de esto, según el diseño de la válvula y el recorrido que realiza el agua al pasar por dentro de la misma, esta regulación puede ser efectiva o no.
Curva característica
La curva que representa como varía la resistencia de la válvula según el grado de apertura se conoce como curva característica de la válvula.
Esta curva se suele representar relacionando el coeficiente de caudal para cada grado de apertura (Kv) respecto al coeficiente de caudal a válvula 100% abierta (Kv0)
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| Fig. 3 – Curva inherente Kv/Kv0 de una válvula de paso anular Esto se conoce también como curva inherente de la válvula. Cuando la curva se realiza considerando la válvula instalada en la conducción estamos hablando de la curva característica. En la curva característica se acostumbra a representar el caudal que se establece en el sistema en función del grado de apertura de la válvula. Cuando lo que se pretende es regular, se intenta buscar una curva de característica lineal. Las válvulas de seccionamiento como las mariposas o las válvulas de compuerta no tienen curvas lineales. Esto se puede observar en las Fig. 4 y 5   Se observa claramente que mientras la apertura o cierre de la válvula de paso anular, que es una válvula de control, tiene un efecto directo sobre el caudal en toda la carrera de la misma, no ocurre así con la de mariposa en la que a partir del 45% de apertura el efecto de la válvula es casi nulo por lo que la válvula sólo dispone de este 45% de carrera para realizar el control. La cavitaciónOtro elemento a tener en cuenta es la cavitación. Como se habrá visto en otros temas, la cavitación es el fenómeno por el cual el agua pasa de estado líquido a vapor. Las válvulas de control son un elemento especialmente sensible a la aparición de la cavitación puesto que se trata de elementos que van a cerrar la sección de paso para crear una pérdida de carga, por lo que en el interior de la válvula la velocidad del agua puede ser muy elevada sobre todo en posiciones cercanas al cierre (sección de paso muy pequeña) y como sabemos por el teorema de Bernoulli este aumento de velocidad en el agua es debido a la conversión de energía de presión en energía cinética.  Fig. 6 – Teorema de Bernoulli y efecto Venturi La cavitación en las válvulas se puede caracterizar por lo que se conoce como coeficiente de cavitación. Los más usados son:  Donde p1 es la presión de entrada a la válvula; p2 es la presión de salida; pv es la presión de vapor del agua y ∆p es el diferencial de presión (p1 - p2) Estos valores también se pueden representar para la válvula y la instalación. Siguiendo el mismo ejemplo que en las Fig. 4 y 5, representamos en las Fig. 7 y 8 las curvas de cavitación de las válvulas trabajando en las mismas condiciones.  Fig. 7 – Curva cavitación válvula paso anular  Una vez más observamos que la válvula de mariposa estará cavitando, precisamente en el único tramo donde tenía capacidad de regulación. Así pues las válvulas de aislamiento como las mariposas y compuertas no son válvulas adecuadas para regular. No porque no puedan hacerlo sino porque lo hacen de manera ineficiente. En el siguiente vídeo se explica el fenómeno de la cavitación en válvulas. en breve continuará con la 2ª parteSobre el autor:Llevo profesionalmente en el mundo de la hidráulica desde 1990. En mi trayectoria profesional he trabajado en empresas donde se estudiaban y suministraba desde tuberías y accesorios, a instrumentación y válvulas. En el momento de la revisión de este artículo, trabajo como Jefe de Producto en la empresa Belgicast del Grupo Talis (www.belgicast.eu) Datos de contacto:
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