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Válvulas y elementos de control para presas
y centrales hidroeléctricas
www.comeval.es
Válvulas y elementos de control para el sector de presas y centrales hidroeléctricas
Vicente Sansaloni Company
Market Manager División Aguas - COMEVAL
Introducción Las válvulas son elementos imprescindibles en el sector de las presas y las centrales hidroeléctricas.
Permiten controlar el nivel en las presas, el caudal de descarga de fondo, caudal ecológico o el caudal de by-pass de la turbina.
Las válvulas de cierre y seguridad no son menos importantes ya que serán las encargadas de cerrar el paso del agua en caso de rotura de la tubería o de accidente protegiendo así al resto de equipos, la instalación y las personas y bienes.
También tienen una gran importancia los elementos de control del aire (ventosas y aductores), para la admisión del mismo cuando sea necesario, para evitar el colapso de la tubería por depresión, como elementos de aireación de una válvula para evitar la cavitación y para evacuar el aire sobrante y evitar sobrepresiones.
También deben tenerse en cuenta la correcta instalación así como los sistemas de actuación de las válvulas, pues todo ello será determinante en el correcto funcionamiento posterior.
Este artículo trata, de manera resumida, sobre algunas de estas válvulas y su uso en éste exigente sector.
Válvulas en presas Una posible clasificación de las válvulas que intervienen en el control de una presa sería la de válvulas de entrada de agua y válvulas de salida. Tal y como refleja la imagen siguiente esquema:
Entrada de agua Salida de agua / Desagüe de fondo
Válvulas cierre Válvulas de aireación Válvulas chorro hueco Válvula paso anular
VÁLVULAS EN PRESAS
También se pueden clasificar por la función que realizan: válvulas de control, válvulas de cierre y seguridad, válvulas de aireación.
Utilizaremos esta última clasificación para explicar las diferentes tipologías.
Válvulas de control Las válvulas de control y regulación son aquellas que, como su nombre indica, nos sirven para controlar las variables hidráulicas del sistema (presión, caudal, nivel).
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.
Por tanto con estas válvulas regularemos el caudal de descarga, el nivel, el caudal de by-pass de la turbina, regular el caudal en una conducción o reducir la presión (válvulas de control en línea).
Válvulas de descarga de chorro hueco
Probablemente las válvulas de chorro hueco (también conocidas como Howell Bunger o válvulas de salida cónica o chorro divergente) sean la tipología de válvula óptima y más usada para el control de la descarga de una presa.
Hay que resaltar que este tipo de válvulas son de final de línea lo que significa que se montan al final de una conducción y sólo sirven para descargar a atmósfera. Bien en una presa o en cualquier otra aplicación que lo requiera (desagües de conducciones, llenado de depósitos,...). No son, por tanto, válvulas para regular intercaladas en una conducción con tubería tanto aguas-arriba como aguas-abajo. Las válvulas que pueden hacer esto son válvulas de control en línea, y las veremos posteriormente.
La válvula de descarga de chorro hueco consiste en un cuerpo en forma de tubo cilíndrico con un cono ciego en su extremo y un cilindro obturador que desliza por la parte exterior del tubo cilíndrico.
El cierre y la regulación, respectivamente, se efectúan mediante el cilindro obturador que, accionado por elementos motrices colocados en el exterior, se desliza, apoyado sobre las guías del cuerpo, cerrando contra el cono de salida. La estanqueidad del cierre entre el tubo obturador y el cono de salida se realiza, en primer lugar, por asiento y contra-asiento cónicos en acero inoxidable y, en segundo lugar, por una junta elástica auxiliar para conseguir un cierre perfectamente estanco.
Drenaje
Concentrador de chorroen acero envuelto dehormigón
Ventana de inspección
Válvula chorro hueco DN1300
Válvula de mariposa
Actuador
Descarga Entrada de agua
Principio de funcionamiento de una válvula de chorro hueco
El flujo en la válvula es anularmente simétrico respecto al eje longitudinal del cuerpo. El guiado interior del chorro garantiza un flujo sin turbulencias hasta el extremo del cono diversor, proporcionando así un funcionamiento libre de vibraciones
Guiado por el cono diversor, el chorro, saliendo a alta velocidad, diverge en forma cónica y se expande, aumentando así rápidamente la superficie de agua en contacto con el aire y pulverizándose ésta. Se produce de esta manera una transformación eficiente de la energía cinética.
Válvula de chorro hueco DN400 con actuador por motor eléctrico o hidráulico
Izquierda: abierta; Derecha cerrada
El movimiento del cilindro obturador puede realizarse por cilindros hidráulicos o neumáticos y por un sistema mecánico de engranajes accionado por un motor eléctrico o hidráulico.
Este tipo de válvulas tiene una gran capacidad de descarga y puede trabajar con caudales y por tanto velocidades muy elevadas regulando con eficiencia, pocas vibraciones, y sin problemas de cavitación.
Es muy importante la calidad de construcción de la válvula tanto en los materiales como los detalles de diseño como pueden ser las guías del cilindro obturador o del asiento y contra-asiento.
En la siguiente figura se muestran algunos detalles constructivos.
Detalles constructivos válvula de chorro hueco
AB
A B
s
D
Cilindro obturador
Cono diversor
El detalle A muestra el sistema de estanqueidad entre el cilindro obturador y el cuerpo de la válvula mediante junta elástica hidráulica que aumenta la fuerza de estanqueidad con el aumento de la presión y el anillo de deslizamiento en bronce.
El detalle B muestra el sistema de cierre u obturación doble con cierre metálico entre las superficies de acero inoxidable del extremo del cilindro obturador y del asiento cierre elástico mediante junta de elastómero intercambiable. Es importante el detalle de que el chorro de salida no incide sobre la zona de la junta elástica para preservar la duración de la misma. Se puede ver también en la siguiente fotografía.
Detalle de asiento con zona cónica en acero inoxidable de alta dureza y junta elástica y guiado del chorro sin incidir sobre la junta de cierre elástico
Otro detalle constructivo importante es el guiado del cilindro obturador sobre el cuerpo de la válvula. En la válvula de la siguiente figura se observa como el cilindro se desplaza sobre unas guías que tiene el cuerpo de la válvula. Estas guías se realizan por una soldadura de aporte de bronce y posteriormente son mecanizadas. Las contraguías del cilindro de obturación, en los grandes diámetros, conviene que sean ajustables e intercambiables para mejorar el mantenimiento y alargar la vida útil de la válvula.
Como se ha explicado, el chorro de salida es divergente por lo que se hace necesario que la construcción del cuenco amortiguador (zona donde descarga la válvula) disponga de la amplitud necesaria.
Amplitud del chorro de descarga en válvulas de chorro hueco
Superficie de deslizamiento en
bronce de alta dureza.
Si se quiere evitar la amplitud del chorro de salida, se puede instalar a la salida de la válvula un concentrador de chorro. De manera que el chorro de salida adquiere una forma cilíndrica de diámetro semejante al diámetro del concentrador.
Este sistema requiere de menos espacio que la válvula sin concentrador, pero también limita ligeramente la capacidad de la válvula.
Válvulas chorro hueco DN1800 con concentrador de chorro
Las características especiales de las presas, hacen que la instalación de este tipo de válvulas no sea algo estándar. Bien por su localización, por el tipo de accionamiento o por los elementos necesarios para la disipación y guía del chorro y del caudal de agua. En las siguientes imágenes se ven diferentes soluciones constructivas.
Válvula de chorro hueco de instalación mural y con actuador detrás del muro
Válvulas de chorro hueco en cámaras de descarga
Deflector
Válvulas de chorro hueco con concentrador de chorro embebido en el muro y accionamiento por actuador en pasarela
Otro factor a tener en cuenta a la hora de diseñar la válvula y las soluciones de instalación es si la válvula descargará libremente a la atmósfera o puede hacerlo sumergida en el agua.
Descargar bajo el agua disminuye la capacidad de descarga, por lo que debe evitarse si es posible, pero hay instalaciones donde no se puede evitar o interesa descargar bajo el agua para amortiguar el efecto del chorro de salida.
En caso de que la válvula pueda descargar sumergida hay varias consideraciones importantes. La primera lógicamente es en cuanto a materiales y recubrimientos, pero también hay que prever que el sistema actuador de la válvula pueda trabajar en estas condiciones o protegerlo.
Lo habitual es esto último de manera que el actuador queda en zona no-sumergida y el cuerpo de la válvula dispone de una brida de salida a la que se conecta un tubo de mayor diámetro que la válvula (normalmente 2 x DN)
El otro factor muy importante es el proteger a la válvula de la cavitación. Para ello si instala un sistema de aireación como se puede ver en las siguientes imágenes.
Válvula de chorro hueco con tubo de salida y aireación
En la imagen anterior, además se sugiere un anclaje del tubo de salida al muro en el que se usa una brida de ajuste perimetral que absorbe los esfuerzos axiales.
Drenaje
Concentrador de chorroen acero envuelto dehormigón
Ventana de inspección
Válvula chorro huecoDN1300
Drenaje
Actuador
Válvula demariposa
agua
aire
aire
Conexión a muro alternativa
Tuberías de aireación
Válvula de descarga con tubo de aireación.
Izquierda: cámara de válvulas; Derecha: vista exterior
Como se ha indicado previamente, estos condicionantes deben conocerse en el momento de realizar el pedido de la válvula, para que se fabrique preparada con la brida de conexión al tubo de salida o incluso con el carrete de aireación.
Instalación incorrecta: Válvula de chorro hueco sin brida de conexión al tubo de salida
Válvulas de control de paso anular (también conocidas como de émbolo o aguja)
Las válvulas de paso anular son una evolución de las antiguas válvulas Larner-Johnson.
Válvula Larner-Johnson
Caudal de reflujo
La válvula de chorro hueco no está conectada con el tubo de salida
A diferencia de las Larner-Johnson, las válvulas de paso anular tienen como elemento obturador un émbolo o pistón, son de tamaño y peso menor para la misma capacidad, su mecanismo de accionamiento es más simple y robusto y con menos necesidades de mantenimiento y tienen mejor comportamiento frente a la cavitación.
Las válvulas de paso anular están diseñadas para regulación. Consisten en un cuerpo hidrodinámico dispuesto centralmente en el interior del cuerpo de la válvula y conectado a un cuerpo exterior mediante unos nervios de manera que el fluido es conducido alrededor del cuerpo central, resultando una sección de paso anular. Un pistón de acero inoxidable guiado sobre unas guías deslizantes (normalmente en bronce), se mueve axialmente en el interior de la válvula. El movimiento axial se transmite al pistón por medio de un robusto mecanismo de biela-manivela que se actúa desde un eje al exterior mediante un desmultiplicador manual o un actuador eléctrico, neumático o hidráulico (con o sin contrapeso). El movimiento del pistón en el sentido del flujo cierra el paso en el cuello donde el cuerpo de la válvula vuelve a tener la sección del tubo y se encuentra la junta de estanqueidad desmontable, dando una sección de forma anular de paso mayor o menor dependiendo de la posición en la que se encuentre el pistón.
Sentido del flujoSentido del flujo
Válvula de paso anular
Como se puede ver en la figura anterior, el cierre de la válvula está en la brida de salida y el flujo a la salida es convergente lo que tiene una influencia positiva en el comportamiento de la válvula frente a la cavitación ya que las burbujas de vapor se forman a la salida de la válvula y además convergen hacia el centro del flujo donde pueden colapsar sin estar en contacto con elementos de la válvula o de la conducción.
Como se aprecia en la siguiente figura, que representa la sección de paso de diferentes tipos de válvulas, las válvulas de paso anular mantienen la geometría de la sección de paso constante en todo su recorrido, siendo ésta un anillo. También se aprecia que a pesar de que son estancas y sirven para aplicaciones todo/nada, no son de paso total incluso en su posición 100% abierta.
Secciones de paso en diferentes tipos de válvulas
Ésta característica de mantener la geometría constante proporciona un funcionamiento de la válvula muy estable y crea pocas turbulencias a la entrada de la válvula.
Son válvulas equilibradas en presiones y esto les proporciona un accionamiento suave y un bajo par de maniobra.
El cuerpo esférico permite también trabajar hasta altas presiones.
A diferencia de las válvulas de chorro hueco vistas anteriormente, las válvulas de paso anular son válvulas que pueden trabajar tanto en final de línea como en línea y por tanto disponen de la misma brida de conexión a la entrada y a la salida.
Las aplicaciones principales de estas válvulas son: regulación de presión o caudal, llenado de depósitos, descarga de presas, válvula de by-pass, válvula de desagüe.
Dependiendo de las necesidades y la aplicación, el pistón pude tener distintos diseños.
- Cilindro recto (estándar)
Cilindro recto
Esta es la configuración estándar. El pistón acaba en un pequeño cilindro recto que al estar el pistón retraído deja el paso completamente libre y que al avanzar va cerrando el paso hasta que este se cierre completamente una vez hace contacto con la junta de estanqueidad.
Esta configuración es de aplicación cuando los diferenciales de presión no son muy elevados o en los casos donde se requiere una gran capacidad (baja pérdida de carga) como válvulas de control de bomba.
Es el diseño de cilindro de salida típico para las válvulas de descarga de presa. El resto de configuraciones que se explicarán a continuación son para aplicaciones de control en línea.
Válvula de compuerta Válvula de mariposa Válvula de esfera
Válvula de paso anular
Abierta
- Cilindro ranurado o perforado
Cilindro perforado o ranurado (posición 100% abierto)
El cilindro perforado o ranurado consiste en una prolongación del pistón que puede estar perforada o ranurada. En posición 100% abierta el cilindro está ocupando el área de paso del agua, por lo que el agua se fuerza a pasar por los orificios o ranuras, forzando a las posibles burbujas de cavitación a ir a gran velocidad hacia el centro del chorro, colapsando rodeadas de agua y sin producir daños mecánicos. Adicionalmente estos orificios o ranuras cambian la relación entre carrera y cierre de la válvula, cambiando por tanto la curva característica de la misma.
Entrada del agua en el cilindro
Cambiando el tamaño o distribución de los cilindros y ranuras se puede adaptar la curva de la válvula a las necesidades de la instalación.
Cuando la válvula empieza a cerrar, el pistón se desplaza y el cilindro empieza a salir hacia el exterior, de ésta manera el área de paso va disminuyendo. Una vez el pistón está en contacto con la junta la válvula queda completamente cerrada.
Cilindro perforado en posición cerrado (el cilindro sale al exterior)
- Cilindro doble perforado
Cuando los diferenciales de presión requeridos son muy grandes se puede instalar un cilindro doble, consistente en dos cilindros perforados paralelos y con un cierto decalaje entre las perforaciones.
3ª2ª1ª
3ª2ª1ª
3ª3ª3ª2ª2ª2ª1ª1ª1ª
Cilindro doble perforado (válvula DN800 PN100)
El efecto que se consigue es el hacer la reducción de presión en varias etapas. Si el cilindro tiene más escalones se haría en más etapas. Con este sistema se consiguen grandes reducciones de presión sin cavitación.
Cilindro multi-etapas
Reducción de presión en una etapa (izquierda) y en múltiples etapas (derecha)
- Cilindro ranurado recortado
El cilindro ranurado recortado es un cilindro ranurado que en la posición de la válvula 100% abierta no cubre toda el área de paso. Es por tanto una solución híbrida, facilita una baja pérdida de carga ya que en posición 100% abierta el paso de la válvula está prácticamente libre lo que permite el control de grandes caudales. En las últimas posiciones de la carrera, el cilindro ranurado recortado obtura el paso, quedando éste limitado a las ranuras, permitiendo una mayor precisión en el control de los caudales bajos y un mejor comportamiento frente a la cavitación.
Cilindro ranurado recortado. Válvula abierta (izquierda, válvula cerrada (derecha)
Como se ha comentado anteriormente, el chorro a la salida de la válvula es convergente, al contrario de lo que sucedía con las válvulas de chorro hueco en las que el chorro es divergente.
Chorro de salida de una válvula de paso anular
La disipación de la energía cinética no es tan efectiva como en la válvula de chorro hueco, el alcance del chorro es mayor aunque la amplitud es menor.
Al igual que en las válvulas de chorro hueco, puede haber diferentes tipologías de instalación.
- Instalación en final de línea
En este tipo de instalación la salida debe ser libre (sin tubería aguas-abajo) y sobre el nivel del agua.
En estas condiciones no se presentarán problemas de cavitación y conseguiremos la máxima capacidad de descarga.
Válvula de descarga final de línea para caudal ecológico DN300 PN10 (Presa Terradets)
- Válvula instalada en cámara de válvulas con concentrador de chorro
Válvula de paso anular instalada en cámara con concentrador de chorro
En este caso la descarga debe ser también sobre el nivel del agua. El máximo nivel del agua debe ser el límite inferir de la válvula.
El diámetro del concentrador debe ser como mínimo 1,5 x DN de la válvula.
La longitud máxima del concentrador debe ser 2 x DN de la válvula
Al igual que en las válvulas de chorro hueco, si el concentrador está conectado a la válvula con una brida de ajuste perimetral, los esfuerzos se equilibran.
Válvulas de paso anular con concentrador de chorro
- Válvula instalada en cámara de válvulas con tubería de salida
Válvula de paso anular con tubería de salida
En este tipo de instalación la descarga puede ser sumergida.
El diámetro mínimo del tubo de salida debe ser 1 x DN de la válvula (recomendable 1,2 x DN)
La máxima longitud del tubo de salida debería ser 4 x DN.
Debe instalarse un carrete de aireación a la salida de la válvula para prevenir daños por cavitación. Las tuberías de aireación deben se de 1/3 x DN de la válvula.
Válvulas de paso anular con carrete de aireación
Comparativa entre válvulas de paso anular y válvulas de chorro hueco
Las dos tipologías de válvulas de control descritas son eficientes y fiables. Podríamos destacar los siguientes puntos:
Las válvulas de chorro hueco son únicamente para descarga, las de paso anular son para descarga o control en línea.
DN 1000
DN 1200
DN 1000
Las válvulas de chorro hueco tienen mayor capacidad de descarga para el mismo diámetro en cambio las de paso anular tiene más precisión en caudales bajos.
Las válvulas de chorro hueco disipan de manera más eficiente la energía cinética.
Las válvulas de chorro hueco no suelen fabricarse en diámetros menores a DN400, las de paso anular se empiezan a fabricar desde DN150
Las válvulas de paso anular son sensiblemente más baratas y estándar lo que redunda en menores plazos de entrega tanto de las válvulas como de posibles repuestos.
Podemos concluir que para diámetros pequeños suele ser más conveniente la válvula de paso anular y en los diámetros mayores, dependerá del presupuesto y de las necesidades de la instalación.
Válvulas de cierre y seguridad Las válvulas de cierre y seguridad son las encargadas de abrir o cerrar el paso de la toma de agua, no realizan funciones de regulación por lo que su funcionamiento es del tipo todo/nada.
En las presas, además, esta función suele tener funciones de seguridad y estas válvulas deben cerrar de forma segura y lo más rápido posible cuando se detecta cualquier anomalía en la instalación (inundación de la caseta de válvulas, exceso de nivel, rotura de tuberías, exceso de caudal o revoluciones en la turbina, fallo de energía eléctrica,...)
Válvulas de mariposa
Aunque es bastante habitual el uso de válvulas de compuerta para estas funciones, una de las válvulas que mejor realiza las mismas con seguridad, facilidad de accionamiento, mantenimiento y economía de inversión, son las válvulas de mariposa de doble excentricidad.
Válvula de mariposa doble excéntrica
Izquierda: con actuador por desmultiplicador y volante
Derecha: actuador por contrapeso y cilindro hidráulico
Las válvulas de mariposa consisten en un cuerpo dentro del cual se mueve un disco, que es el elemento obturador. Este disco gira alrededor de un eje siendo su trayectoria completa de 90º, que van desde la posición de máxima apertura, con el disco paralelo al flujo a la de cierre con el disco perpendicular al flujo.
En el caso de las válvulas de mariposa de doble excentricidad, el disco está descentrado respecto al eje y éste último ligeramente respecto al cuerpo de la válvula.
El anillo de estanqueidad desmontable se encuentra en el perímetro del disco y en su posición de cierre apoya contra un asiento en acero inoxidable que está en el interior del cuerpo de la válvula.
La doble excentricidad proporciona la ventaja de que el anillo de estanqueidad está libre de tensiones a los pocos grados de apertura y sólo trabaja en la posición de cierre. Además éste anillo es fácilmente sustituible sin necesidad de desmontar la válvula.
Detalle del anillo de estanqueidad (junta)
Las válvulas de doble excentricidad son de estanqueidad en ambos sentidos de paso del fluido y pueden fabricarse para altas presiones.
A diferencia de las válvulas de compuerta, que son de paso total, las válvulas de mariposa en su posición 100% abiertas tiene el disco en el centro del flujo. Esta característica no tiene excesiva importancia desde el punto de vista de la pérdida de carga de la válvula, pero sí la tiene en el funcionamiento en el sector de las presas.
Las presas se caracterizan por manejar caudales muy elevados y por tanto altas velocidades de circulación del agua.
Cuando se diseñan las válvulas de mariposa suele hacerse en base a la presión de trabajo. En función de ésta presión se dimensionan los ejes y el disco. Pero las válvulas no solo tienen un límite operacional debido a la presión sino también debido a la velocidad.
La presión no suele ser problemática en las presas, pues presas de más de 200 m no son habituales, pero sí lo es la velocidad, como hemos indicado antes.
El flujo al paso por el disco produce un esfuerzo dinámico que debe ser soportado por el disco y los ejes. Por este motivo existen unas curvas que relacionan la presión de trabajo y la velocidad con la presión de diseño (PN) de la válvula, de manera que es posible que para una presa de 30 m (3 bar) se requiera una válvula PN10 ó PN16
Curvas límite de velocidad válvulas de mariposa VAG EKN
Punto de operación
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Velocidad de flujo máxima permitida [m/s]
Pre
sió
n d
ife
ren
cia
l [m
ca
]
PN 6
PN 16
PN 10
Curvas límite de velocidad para válvulas de mariposa
Junta
Anillo de retención
Opciones en válvulas de mariposa interesantes para el sector de las presas
En la figura siguiente se observa una válvula de mariposa con mecanismo de bloqueo del disco.
Válvula de mariposa con mecanismo de bloqueo de seguridad del cierre
Este sistema de bloqueo permite las instalaciones de mantenimiento de las conducciones con personal en su interior, asegurando que la válvula no abrirá.
Otra opción de interés es la del recubrimiento interior de cuerpo y disco en ebonita. Este recubrimiento es de aplicación cuando la calidad del agua es agresiva como en el caso de agua de mar.
Válvulas de mariposa con recubrimiento interior de ebonita
Las aplicaciones de las válvulas de mariposa como dispositivos de cierre de seguridad se verán en el siguiente punto (actuadores)
Órganos de maniobra. Actuadores.
Vamos a hablar de los dispositivos actuadores para estas válvulas. Parte de lo explicado a continuación es aplicable también a las válvulas de control.
Como se avanzaba en la introducción, la elección del dispositivo actuador dependiendo del tipo de válvula y su aplicación, será determinante en el buen funcionamiento de la misma.
De nada nos sirve una válvula de la máxima calidad si después no podemos maniobrarla para que realice su función.
Actuador manual.
La manera más sencilla de maniobrar las válvulas es hacerlo manualmente, esta posibilidad además es interesante en caso de no disponer de energía auxiliar.
Para una maniobra manual, a las válvulas se les instala un desmultiplicador que actúa sobre el eje de las válvulas de mariposa o de paso anular, el cual es maniobrado por un volante.
Desmultiplicador de 1/4 de vuelta de tornillo sinfín y corona
En estas válvulas el movimiento requerido sobre el eje es aproximadamente de 90º (1/4 de vuelta). El desmultiplicador convierte un determinado número de vueltas de entrada en el volante con un par de maniobra bajo, en un movimiento de 90º con el par de salida necesario para actuar la válvula.
Válvulas de mariposa y paso anular con desmultiplicador y volante
En el caso de la válvula de chorro hueco, el actuador no es un desmultiplicador de ¼ de vuelta y de tornillo sinfín y corona. Consiste en un engranaje central planetario que transmite el movimiento de giro a dos engranajes cónicos que son los que hacen girar los vástagos roscados laterales que en su movimiento de giro arrastran, perfectamente alineado, el cilindro obturador.
Sobre este engranaje planetario se instalaría el volante de maniobra.
Dispositivo actuador mecánico de válvula de chorro hueco. Engranaje planetario y cónicos...
Actuador eléctrico
Los actuadores eléctricos son de uso muy común en cualquier aplicación. Proporcionan facilidad de instalación y control ya que los equipos de medición y control son mayormente eléctricos.
Los actuadores eléctricos se instalan sobre los desmultiplicadores arriba mencionados, sustituyendo al volante y a la fuerza del operario.
Los actuadores serán por tanto multivueltas y deben disponer de un sistema de control de las vueltas con unos interruptores de final de carrera para que el motor pare una vez la válvula llegue a su posición completamente abierta o cerrada.
La parte más compleja del actuador, de hecho, no es el motor eléctrico sino todo el mecanismo de relojería para el control del movimiento.
Vista en sección de un actuador eléctrico multivueltas con unidad de mando
Es conveniente y habitual que los actuadores eléctricos dispongan también de interruptor de seguridad por sobrepar (que pararía el motor en el caso de que la válvula quedara obturada por algún objeto) y de temperatura...
C
D
C
D
Dos engranajes cónicos
Planetario
Existen actuadores eléctricos para mando todo/nada (funciones exclusivamente de apertura y cierre) y actuadores de regulación. Estos últimos están preparados para realizar muchas actuaciones por minuto sin estropearse.
En función del uso que se deba dar a la válvula, se deberá seleccionar el actuador adecuado. La combinación del motor y del desmultiplicador determinará también el tiempo de maniobra total de la válvula.
Las opciones son enormes y los actuadores pueden disponer de indicadores de posición electrónicos, posicionadores, control local, protocolos de comunicación con sistemas de telemando, etc.
También los hay con diferentes grados de protección ambiental (I67, IP68, ATEX)
Obviamente los hay para diferentes voltajes y en corriente alterna o continua.
Izquierda: Actuador eléctrico multivueltas; Derecha: Actuador eléctrico multivueltas con mando local
Como se puede ver en la figura anterior, los actuadores eléctricos disponen de un volante de maniobra manual de emergencia para poder maniobrar la válvula en caso de fallo de suministro eléctrico.
Válvulas con actuadores eléctricos
Actuadores hidráulicos
- Cilindros hidráulicos (actuadores lineales)
Los actuadores hidráulicos más conocidos son los de cilindro, que consisten en un pistón que debido a la presión del aceite realiza un movimiento lineal.
Cilindro hidráulico
Este tipo de cilindro son los que actúan las válvulas de chorro hueco.
La energía la proporcionará una central oleo-hidráulica y a su vez debe haber un cuadro hidráulico de control para poder colocar la válvula en posiciones intermedias.
- Motores hidráulicos
El motor hidráulico es un actuador multivueltas idéntico al eléctrico visto anteriormente, salvo que la energía que lo acciona es el aceite a presión.
Actuador hidráulico multivueltas
Estos actuadores no son muy habituales pero tienen numerosas ventajas:
Pueden instalarse sobre cualquier desmultiplicador, al igual que haríamos con un actuador eléctrico o sustituir a éste.
Disponen de mando por volante de emergencia manual con lo que siempre existe la posibilidad de controlar la válvula manualmente (esto no es habitual en los cilindros)
Son de pequeño tamaño y mantenimiento casi nulo y muy sencillo.
Los controles de posición, y par son exactamente los mismos que en los actuadores eléctricos.
Permiten un ajuste mucho mejor y más fino que los cilindros hidráulicos y un mayor control de la posición.
El factor de utilización es mucho mayor que los actuadores eléctricos ya que no se recalientan.
- Actuador por cilindro hidráulico y contrapeso. Válvulas de seguridad
Es un actuador pensado para válvulas con accionamiento por ¼ de vuelta (mariposa, paso anular, esfera)
Consiste en un cilindro hidráulico con un circuito integrado que incluye tanque de aceite y motobomba. A esto se añade una palanca a la que va conectado un contrapeso.
Accionamiento por cilindro hidráulico y contrapeso
El contrapeso se encarga de proporcionar la energía necesaria para la maniobra en su caída y el cilindro hidráulico, con las válvulas de control del circuito hidráulico integrado, regulan la velocidad de maniobra.
La caída del contrapeso puede configurarse para el cierre de la válvula o su apertura.
La maniobra contraria se realiza levantando el contrapeso presurizando el cilindro con la bomba hidráulica integrada o manualmente con una palanca en caso de necesidad.
Con este sistema se garantiza una maniobra siempre aún en caso de fallo de corriente eléctrica.
En caso de detectarse cualquier anomalía (inundación, corte de luz, caudal excesivo, rotura de tubería, etc.) el bloqueo del actuador puede ser liberado y la válvula cerrará de forma segura y controlada (o abrirá)
Una aplicación típica de este sistema son las válvulas de protección en caso de rotura de tuberías.
Válvulas de seguridad
En las válvulas de seguridad contra rotura de tuberías se dispone de la válvula con el actuador por contrapeso y un dispositivo detector (palanca, tubo de Pitot, caudalímetro,...) que cuando detecta la sobrevelocidad causada por la rotura, dispara el mecanismo y deja caer el contrapeso.
Estas válvulas de seguridad, deben llevar instalado aguas-abajo un aductor para permitir la entrada de aire una vez la válvula cierre y así evitar el colapso de la tubería.
Estos actuadores por contrapeso deben ser seguros y extremadamente fiables por lo que su calidad no debe regatearse. Existen en el mercado soluciones muy sencillas que no ofrecen las garantías adecuadas.
Un sistema compacto, con el tanque integrado, con pocas tuberías del circuito que puedan sufrir daño, es la solución óptima.
Otro punto muy importante son las válvulas de control del circuito hidráulico, que son las que regularán (normalmente en dos etapas para evitar golpes de ariete) la velocidad de maniobra del equipo.
Estas válvulas deben ser independientes de la viscosidad del aceite, ya que de no ser así, el actuador actuaría más rápido los días calurosos (aceite más fluido) y más lento los días más fríos (aceite más viscoso).
Válvula de control del circuito independiente de la viscosidad
Válvula solenoide
Manómetro
Válvula de bola (bloqueo)
Válvula control velocidad de cierre
(No influenciada por la presión ni la viscosidad)
También puede sustituirse el contrapeso por un resorte. Por falta de espacio u otros motivos.
Actuador hidráulico por resorte
Ejemplos de aplicación del actuador por contrapeso
Válvulas de aireación El manejo del aire es tan importante como el control del agua, sea para expulsar el aire al llenar las conducciones, admitirlo para vaciarlas sin que colapsen, airear la salida de una válvula de control o purgar bolsas de aire en servicio.
Para ello se utilizan ventosas y aductores.
Ventosas trifuncionales
Las ventosas se aconseja que sean del tipo trifuncional, es decir, que realizan las tres funciones típicas: expulsión de aire durante el llenado, admisión de aire en el vaciado y purga de bolsas de aire bajo presión.
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Fallgewichtsantrieb HB-HV Federantrieb HB-HV-F Kraftkolbenantrieb KA-Hmit Druckspeicher
EKN Absperrklappe KHW KugelhahnRKV Ringkolbenventil
Actuador por contrapeso Actuador por muelle Actuador hidráulico
Válvula de mariposa Válvula de paso anular Válvula de esfera
Ventosa trifuncional monocuerpo
Funcionamiento de una ventosa trifuncional.
De izquierda a derecha: admisión de aire, expulsión de aire, purga bajo presión.
Conviene que los materiales de fabricación sean óptimos y que las ventosas sean de funcionamiento simple con pocos mecanismos para asegurar un funcionamiento fiable y minimizar los mantenimientos.
Cuando se requieren mayores capacidades de aireación es más aconsejable la duplicación de elementos en diámetros razonables (hasta DN200) que la instalación de grandes ventosas de coste y peso elevados y de menos posibilidades de repuesto o sustitución.
Instalaciones con ventosas trifuncionales
Las ventosas deben instalarse siempre con una válvula de seccionamiento (compuerta o mariposa) para permitir el correcto mantenimiento de las mismas.
Válvulas de aducción (aductores)
Los aductores o válvulas anti-vacío son dispositivos unidireccionales que permiten la entrada de grandes cantidades de aire a la conducción, para evitar problemas de colapso de la tubería en situaciones de depresión (vaciado de la conducción, rotura de la tubería, etc.) y no permiten la salida de aire ni de agua.
Aductor simple
En ocasiones, se combina el aductor con una ventosa trifuncional, para permitir un elevado caudal de admisión de aire y un caudal ajustado de expulsión.
Aductor regulable combinado con ventosa trifuncional
Como se ha comentado, un punto de instalación obligada de los aductores es aguas-abajo de las válvulas de seguridad contra rotura de tubería, ya que en caso de darse la rotura, la válvula de seguridad cerrará, impidiendo más salida de agua. En esta situación, el agua que sigue saliendo por la rotura, si no se dispone de los correspondientes aductores creará una depresión que podría colapsar la tubería.
Instalación de un aductor aguas-abajo de una válvula de seguridad
Conclusiones Las válvulas en el sector de las presas tienen una gran importancia, tanto para la correcta gestión como para la seguridad de las mismas.
En su elección deben primar los aspectos de calidad, comportamiento, larga vida útil, escaso mantenimiento y seguridad.
La definición de los parámetros de funcionamiento, instalación, maniobra y control deben tenerse claros antes de decidir la compra de la válvula. Una buena planificación suele suponer menos costes y evita problemas posteriores.
La mentalidad abierta a los cambios y mejoras disponibles en el mercado, es imprescindible para la evolución y el correcto funcionamiento de cualquier sector. Los cambios, decididos desde el sentido común y con criterio, son la única manera de avanzar.
El conservadurismo como postura sin razonamiento lleva al estancamiento.
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