Manual Mecanica de Fluidos

159  23  Descargar (0)

Texto completo

(1)

Prácticas de

Operaciones Unitarias

I

M. en C. Jaime Rubén Pérez Leaño M. en C. Laura Emilia Ortega Rosales I. Q. Luís Fernando González Reynoso I. Q. Hugo Antonio Vega Gómez

Mecánica de Fluidos

Separaciones Mecánicas

Transferencia de Calor

Evaporación

(2)

ÍNDICE

Pág.

INTRODUCCIÓN 3

REGLAMENTO DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA DEL CUCEI 4

CUIDADO DE LAS BÁSCULAS 5

PRÁCTICA 1: Determinación experimental del Número de Reynolds. 6

PRÁCTICA 2: Flujo de Fluidos en Tuberías. 18

PRÁCTICA 3: Sedimentación libre. 94

PRÁCTICA 4: Lechos Porosos y Fluidización. 99

PRÁCTICA 5: Filtración. 104

PRÁCTICA 6: Agitación. 118

PRÁCTICA 7: Transferencia de Calor. 126

PRÁCTICA 8: Líneas de Dühring 138

PRÁCTICA 9: Evaporación. 142

(3)

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo se realizo con el fin de disminuir el trabajo de pizarrón, tanto para los profesores de la clase como para los alumnos. Esto es, que el manual de prácticas de operaciones unitarias I, servirá tanto al docente para describir con puntualidad el aspecto teórico y hacer una mejor descripción y conducción del trabajo práctico; y para el alumno, como una guía metódica del desarrollo de cada una de las prácticas y del acopio sistemático de la información necesaria para elaborar el reporte correspondiente al finalizar la sesión.

Este manual no contiene toda la teoría que el alumno debe conocer y utilizar, en cada tema, tan solo es una guía. Por lo que el trabajo de investigación y cálculo queda latente en el reporte final de la práctica.

La metodología que lleva el profesor es inherente al presente manual, ya que él tomará los resultados que en el se recaben y pedirá a los alumnos que calculen, diseñen y desarrollen el reporte de manera muy personal pero que cumpla con el programa de prácticas de operaciones unitarias I.

(4)

REGLAMENTO DEL LAB. DE INGENIERÍA QUÍMICA

1.- El profesor hará la solicitud de la práctica con, al menos, una semana de anticipación.

2.- En la solicitud, indicar todo el material del que va a necesitar.

3.- Verificar si el equipo a utilizar se encuentra en condiciones de ser operado. 4.- Es obligatorio el uso de bata y lentes de seguridad.

5.- Las sesiones deben iniciar con puntualidad.

6.- NO está permitido COMER NI FUMAR dentro del LABORATORIO.

7.- Las prácticas SÓLO se realizaran con la presencia del profesor responsable del grupo.

8.- Los trabajos en el laboratorio se efectuarán con SERIEDAD y RESPONSABILIDAD.

9.- Los equipos y aparatos solo deben manipularse después de recibir las instrucciones necesarias.

10.- PREGUNTAR ANTE CUALQUIER DUDA

11. SEGURIDAD:

Antes de realizar la práctica se deberán conocer las normas generales de seguridad en el laboratorio, las particulares de la práctica y leer las fichas de seguridad de los productos utilizados en la misma. Consultar con el profesor acerca del manejo, almacenamiento y recogida de los diversos productos.

12.- En caso de mal funcionamiento o falta de servicios, suspender la práctica y avisar al encargado

13.- El grupo que destruya material debe reponerlo al laboratorio. 14.- Respetar el horario asignado en el laboratorio.

15.- Al término de la práctica, dejar todo el material y equipo limpio y guardar la herramienta, cubetas, etc. en su lugar.

ATTE. MCCA JAIME RUBÉN PÉREZ LEAÑO Jefe del Laboratorio de Ingeniería Química del CUCEI

(5)

CUIDADO DE LAS BÁSCULAS

SIETE MÉTODOS PARA AHORRAR DINERO Y PROTEGER A LA

INDUSTRIA Y A LAS INSTITUCIONES

.

1. NUNCA deje caer sobre la báscula los materiales que se van a pesar. Esto puede desajustar el delicado mecanismo de las mismas.

2. NUNCA deje usar las básculas a personas no autorizadas.

3. NUNCA cargar demasiado las básculas. Muchos tipos de básculas pueden ser dañadas permanentemente cargándolas a más de su capacidad.

4. MANTÉNGASE las básculas constantemente limpias. La suciedad perjudica el mecanismo y causa fricción.

5. REEMPLAZAR las básculas viejas después de que éstas hayan prestado un servicio razonable. Las básculas viejas muy usadas son poco exactas y causan errores muy costosos, sea que afecten la ganancia por el sobrepeso o que perjudiquen el buen nombre de la Empresa por falta de peso.

6. RECUERDE que las básculas, lo mismo que cualquier otro tipo de máquinas, se desajustan. Ver que éstas sean revisadas regularmente por una persona autorizada. Localizar los problemas antes de que se vuelvan graves, puede representar un considerable ahorro de dinero.

7. TÉNGASE PRESENTE en toda ocasión la importancia de una báscula. Convertir kilos en pesos es prácticamente pesar dinero - el de usted-. Pequeños errores de peso pueden convertirse en sumas grandes.

SERVICIO "FAIRBANKS-MORSE" NEGOCIACIÓN DE BÁSCULAS VILLALOBOS, S. A. PINO SUÁREZ 235-GUADALAJARA JALISCO TEL. 36 14 39 59 Y 36 13 41 50

(6)

PRÁCTICA 1: DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS.

OBJETIVOS

 Determinar experimental y teóricamente el número de Reynolds para diferentes velocidades de flujo en tubos con distintos diámetros.

 Establecer las diferentes cargas (H o hf) de fricción entre flujo laminar y flujo turbulento y representar gráficamente las desviaciones entre los resultados experimentales y teóricos.

 Calcular la velocidad máxima en cada régimen y graficar la relación de (Vmed/Vmáx) contra Reynolds y Reynolds máximo.

 Calcular y graficar el perfil de velocidades para un punto en régimen laminar y para un punto en régimen turbulento contra la relación del radio de la tubería. 2. TEORÍA

En la década de 1880, Osborne Reynolds, Ingeniero británico, estudió la transición entre el flujo laminar y turbulento a través de un tubo. Reynolds pudo descubrir que el parámetro, —que ahora lleva su nombre— constituye un criterio mediante el cual se puede determinar el estado de un flujo.

Re = vd (1.1)

ρ = Densidad del fluido M/L3

μ = Viscosidad del fluido ML/t L = Dimensión fundamental de longitud v = Velocidad del fluido L/t M = Dimensión fundamental de masa d = Diámetro de la tubería L t = Dimensión fundamental de tiempo

Experimentos posteriores han demostrado que el número de Reynolds es un parámetro clave también para otros casos. Se tiene entonces, en general:

Re = vd = vLfuerzasfuerzasinercialesviscosas

Donde L es una longitud característica descriptiva del campo de flujo. De este modo, el Número de Reynolds se puede considerar como el cociente de las fuerzas inerciales entre las fuerzas viscosas.

Mencionando la ley del arrastre universal:

3 2 2 2 2 mod 3 2 2 2 2 m m m p p p m m m m m m m m m m prototipo p p p p p p p p p p L L t L L t F m a V a F m a V a L L t L L t               (1.2) 3 3 m V V D L   

  por lo que se concluye que son una función de la

2 RA VR R

(7)

3 2 2 2 2 2 2 2 2 número de Euler inercia presión L Lt Fuerza ma VLt L V v Fuerzas A L L L P                 (1.3) 3 2 2 2 inercia 1 2 1 2 viscosas F número de Reynolds F L Lt ma L v Lv a vL L vL L            (1.4) 2 número de Reynolds= Re Q D Lv vD D Q v A Q k D                 (1.5) Froude No Lg v g L Lt L mg ma Fg Fi . 2 5 2 3        (1.6) Cauchy No v L Lt L A ma Felásticas Fi . 2 2 2 3           NoMach v .    (1.7) Weber No Lv L Lt L L ma F Fi . 2 2 3            (1.8)

Cuando el número de Reynolds es menor de 2100 para una tubería circular recta, el flujo siempre es laminar. Cuando el valor es superior a 4000, el flujo será turbulento excepto en algunos casos especiales. Entre estos dos valores, o región

de transición, el flujo puede ser viscoso o turbulento, dependiendo de los detalles

del sistema, que no se pueden predecir.

En el FLUJO LAMINAR, el gradiente de velocidad no es cero, el perfil de velocidad es una curva de forma suave, aproximadamente parabólico, y el fluido se mueve a lo largo de líneas de corriente de aspecto alisado. El flujo se denomina laminar porque aparece como una serie de capas delgadas de fluido que se deslizan una sobre otra.

El concepto de “fricción” en el fluido es una analogía adecuada para el esfuerzo cortante en el flujo laminar, aun cuando el esfuerzo cortante es realmente el resultado de una transferencia de momento molecular, de fuerzas intermoleculares o de ambas cosas.

Los flujos, irrotacional o no viscoso y laminar contrastan fuertemente con el movimiento desordenado de un fluido en lo que se denomina flujo turbulento. EL FLUJO TURBULENTO se caracteriza por fluctuaciones al azar en la velocidad del

(8)

fluido y por un mezclado intenso. El perfil de velocidad en el flujo turbulento tiene una parte cercana a la pared muy próxima a la linealidad. Se dice que ésta parte lineal es debida a una subcapa laminar que se adhiere muy fuertemente a la superficie. Fuera de ésta subcapa el perfil de velocidades es relativamente plano en comparación con el perfil laminar.

Que hizo Reynolds:



D

 Re

0 – 2100  régimen laminar 2100 – 4000  régimen transición mayor a 4000  régimen turbulento

Fig. 1-1 Experimento de Reynolds Consultar: métodos adimensionales de  y de Rayleigh.

Fig. 1-2 Balance de fuerzas en la tubería. Donde D es el diámetro de la tubería y y es el radio de la misma.

Fm = movimiento con respecto al área horizontal = (P1-P2)Atransversal (1.9) H = hf Peh1 Peh2 P1 Fm Fr L 1 D 2 D+D

(9)

Fr = oposición de la pared de la tubería = A = dy Acilindro dv      (1.10)

Para una tubería cilíndrica

4 2 D AT   (área transversal) y (1.11) DL

AC  (área del cilindro)

(1.12) igualando en el equilibrio: Fm = Fr (1.13) DL dy dv D P P       4 ) ( 2 2 1 (1.14)

Se cambia el diámetro D = 2y para dejar la ecuación en función del radio:

yL dy dv y h h Pe( ) 2  2 2 1       (1.15)

 h ydy L dv h Pe( 1 2) 2 (1.16) Integrando: 

 

0 2 / 0 2 1 ) 2 ( MAX V D dv L ydy h h Pe  (1.17) 0 2 / 0 2 2 1 2 2 ) ( MAX V D v L y h h Pe    (1.18) c Lv y h h Pe  2  2 ) ( 2 2 1 (1.19)

con las condiciones frontera v = 0 , y = D/2

c v D h h Pe          2 2 4 / ) ( 2 2 1 (1.20)

como 0 y además hf = h1 – h2; cPehf1D/8 y cuando v = vmáx; f L vMAX D Peh 2 2 ) 2 / ( 2  (1.21) L D Peh v f MAX  16 2

 Para flujo laminar. (1.22)

Ecuación General: 8 2 2 2 2 Peh D v L y Pehf f     (1.23) v L D y Pe 2  8 2 2 2       (1.24)      2 8 2 2 2 y D L Peh v f  (1.25)

(10)

para el gasto Q = vA: ydy v dQ ydy dA y A vdA dQ    2 2 2          (1.26)

Dy ydy L Peh dQ f   4 2 4 2 2 (1.27)    

/2 0 3 2 / 0 2 0 2 4 D D f Q dy y ydy D L Peh dQ

(1.28)           2 / 0 4 2 / 0 2 2 4 2 4 2 D D f D y y L Peh Q   (1.29)      4 16 / 2 2 / 4 2 4 2 2 D D D L Peh Q f   (1.30)       64 32 2 4 4 D D L Peh Q Q f T TEORICO  (1.31) Si Qt=QR QRvA A v D D L Pehf      64 32 2 4 4   (1.32) tenemos que      2 16 4 2 2 2 D D L Peh v D A f    (1.33)          2 16 4 64 32 2 2 2 2 4 4 D D L Peh D D D L Pehf f     (1.34)      64 8 4 4 2 4 4 D D L Peh v f   (1.35)      2 16 2 2 D D L Peh v f  (1.36)       2 2 16 2 2 D D L Peh v f  (1.37)  L D Peh v f 32 2  (1.38) 5 . 0 16 32 2 2         L D Peh L D Peh v v f f Laminar MAX (1.39) 10 h f(te ór ic o y re al ) v Q Real Teórico

L

D

Peh

m

f

32

2

(11)

Fig. 1-3 Gráfica de la caída de presión para una tubería. Si despejamos hf: v v PeD Lv hf 2 2 32 2   (1.40) v PeD Lv hf 2 2 64  (1.41) y como Pe = g Re 1 2 2 64        Dv gD Lv hf   (1.42) gD Lv hf 2 64 2  Ec. Darcy (1.43) gD Lv hf 2 64 2

 Ec. Hagen-Poiseuille, donde fD (1.44)

Tabla A (algunas de las ecuaciones utilizadas para determinar el factor de fricción)

Tubería Régimen Fórmula Autor

Lisa y rugosa

Laminar 64/Re=f

Hagen-Poiseuille

Lisa Re<104 f=0.316/(12e0.25) Blasius

Lisa Re>105 1/(f0.5)=2log(Ref0.5) 1ª de

Karman Rugosa Turbulento 1/f=-2log( f D Re 54 . 2 4 . 7 /   ) Colebrook

Rugosa Zona final del

turbulento 1/f=2log(D/2)+1.7 Karman2ª de

Fig. 1-4 Diagrama del factor de fricción f vs número de Reynolds. 3. APARATO:

El aparato consiste de las siguientes partes:

Darcy 104 Blasius Ver tabla A 2100

Inferencia de las fórmulas que describen los fluidos.

Re f

(12)

Tanque de alimentación a) Registro de nivel.

b) Válvulas de control de flujo. c) Registro de temperatura. Colorante

a) Recipiente del colorante.

b) Válvulas de control del colorante. c) Boquilla del colorante.

Tubos de prueba

a) Toma de prueba. b) Estopero.

c) Curva de descarga (cuello de cisne o de ganso). Manómetro diferencial.

a) Mangueras.

b) Fluido manométrico (tetracloruro de carbono o cualquier otro menos tóxico con densidad entre 1.3-1.7 g/cm3).

Fig. 1-5 Diagrama de la estructura o soporte del aparato para la determinación del número de Reynolds.

(13)

Se llena el tanque de alimentación con el material de prueba. Abrir la válvula de control del tanque para desalojar el aire del sistema. Mantener el nivel del agua y registrar la temperatura durante la experimentación.

Se abre la válvula del tubo de prueba y se asegura que el estopero no tenga fugas ni entradas de aire. Se ajusta la boquilla del colorante al centro del tubo de prueba, asegurándose de que la línea del colorante no arrastre aire.

Se ajusta el flujo a través del tubo de tal manera que su velocidad sea inferior a la crítica. Se abre la válvula del colorante, controlándose de tal manera, para que dé una línea fina en el centro de la corriente del fluido.

Después que se han establecido estas condiciones, se observa la trayectoria que sigue la línea de colorante y se determina la naturaleza del flujo.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Efectuar un mínimo de 10 corridas para cada uno de los tubos, de tal manera que las diferentes formas de flujo queden repartidas entre ellas (3 en régimen laminar, 3 en régimen de transición y 4 en régimen turbulento).

Al efectuar cada prueba, regístrense en el cuadro de concentración los siguientes datos:

Antes de iniciar.

a) Densidad del fluido (usar un densímetro ó calcularla como función de la temperatura)

b) Viscosidad del fluido (usar un viscosímetro de Ostwald ó calcularla como función de la temperatura)

c) Diámetro del tubo

d) Longitud del tubo de prueba entre tomas de manómetro

Durante.

a) Temperatura del fluido (Observar si existe, o no, variación de ella durante la prueba)

b) Altura de los dos brazos del manómetro diferencial c) Tiempo de colección del fluido

d) Masa de agua colectada

e) Tipo de flujo (determinado por observación visual).

(14)

CARACTERÍSTICAS GENERALES: PRÁCTICA de No. DE REYNOLDS TUBO # __1__ Material: __________ D INT = 0.89 cm ÁREA = ______ cm2

Material de Prueba: Agua ρagua = _________ g/cm3 μ = _________ poises T = _________ °C Colorante _Fluoresceína_ Fluido manométrico CCl4_ ρm= __________ g/cm3 Longitud de prueba = _______ cm C o rr id a Manómetro Diferencial B. D. B. Ihman ( cm de CCl4 )hreal ( cm de H2O ) T (s) M (g) w ( g/s ) Q (cm3/s) v (cm/s) Re 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C o rr id a vmáx (cm/s) v/vmáx Re máx f calculado f tablash teórico h th r Observaciones 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Para encontrar

f

tablas utilizar el diagrama de Karman del apéndice I o en el

(15)

CARACTERÍSTICAS GENERALES: PRÁCTICA NÚMERO DE Reynolds TUBO # __2__ Material: __________ D INT = 1.19 cm ÁREA = _______ cm2

Material de Prueba: Agua ρagua = _________ g/cm3 μ = _________ poises T = _________ °C Colorante _Fluoresceína_ Fluido manométrico CCl4_ ρ m = __________ g/cm3 Longitud de prueba = _______ cm C o rr id a Manómetro Diferencial B. D. B. Ihman (cm de CCl4)hreal (cm de H2O) T (s) M (g) w ( g/s ) Q (cm3/s) v (cm/s) Re 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C o rr id a vmáx (cm/s) v/vmáx Re máx f

calculado f tablash teórico h t

h r Observaciones 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(16)

CARACTERÍSTICAS GENERALES: PRÁCTICA NÚMERO DE Reynolds TUBO # __3__ Material: __________ D INT = 1.495 cm ÁREA = _____ cm2

Material de Prueba: Agua ρagua = _________ g/cm3 μ = _________ poises T = _________ °C Colorante _Fluoresceína_ Fluido manométrico CCl4_ ρ m = __________ g/cm3 Longitud de prueba =_______ cm C o rr id a Manómetro Diferencial B. D. B. Ihman (cm de CCl4)hreal (cm de H2O) T (s) M (g) w( g/s ) Q(cm3/s) v(cm/s) Re 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C o rr id a v máx (cm/s) v/vmáx Re máx f

calculado f tablash teórico h t

h r Observaciones 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nota:

La corrida cero se utiliza para calibrar los manómetros diferenciales y poder corregir cualquier desviación causada por aire o por alguna presión inherente a la práctica.

(17)

6. TRABAJO POSTERIOR A LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

a) Calcúlese y tabúlense los resultados prácticos del Reynolds contra el coeficiente de fricción para cada prueba en una misma gráfica.

b) Grafíquese el número de la relación v/vmáx contra Reynolds y Reynolds máximo obtenidos para todos los tubos.

c) Grafíquese el número de Reynolds, velocidad y flujo contra la caída de presión teórica y práctica (ΔH o hf) y estímese el valor crítico para el número de Reynolds en las curvas.

d) Determínese las pendientes de las curvas en ambos flujos.

e) Determínese el perfil de velocidades para régimen laminar y régimen turbulento.

Complete en hojas blancas y anéxelas en su reporte:

7. ECUACIONES APLICABLES Y EJEMPLOS DE CÁLCULOS 8. GRÁFICAS

9. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 10.CONCLUSIONES

11. BIBLIOGRAFÍA

Hidráulica de los canales abiertos. Ven Te Chow. 1982. ISBN 968-13-1327-5

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds"

Claudio Mataix, Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, Harper & Row Publishers Inc.

(18)

PRÁCTICA 2: FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS

1. OBJETIVOS

 Determinación experimental de los coeficientes medios de descarga de los medidores de flujo.

 Determinación experimental y teórica de las diferentes constantes de las válvulas.

 Determinación de los coeficientes de resistencia de los diferentes tipos de accesorios.

 Determinación experimental y teórica de las longitudes de los diferentes conductores así como las desviaciones que sufren la longitud práctica sobre la teórica como relación.

Comprobación experimental del teorema de Bernouilli, para determinar los rendimientos de las maquinas que hacen posible el movimiento de fluidos a través del sistema.

 Determinación experimental de las curvas de operación de la bomba. 2. TEORÍA

El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma.

Definiendo fluido: es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo cortante.

El esfuerzo cortante es el componente de la fuerza tangente a una superficie, y esta dividida por el área cuando esta se reduce al punto.

Esto es: t Au F  (2.1) Y A F   (2.2) t u    (2.3) Como u/t expresan la velocidad de cambio dividida entre la distancia que ocurre es igual a la velocidad angular du/dy.

(19)

Y se llega a la ley de la viscosidad de Newton dudy (2.4)

El principal interés en el transporte de fluidos es calcular los cambios de presión que se tienen en un flujo a través de un tubo o conducto. Los cambios de presión en un sistema de esta naturaleza pueden deberse, por una parte, a cambios en el nivel o bien a cambios en la velocidad —por cambios en el área transversal— y por otra parte, al rozamiento. Se concluye entonces que el principal interés en el análisis de los flujos reales es tener en cuenta el efecto del rozamiento; que consiste en la existencia una disminución de la presión, comparada con el caso ideal de flujo sin rozamiento.

Definiendo flujo como el movimiento relativo de masa, energía o momentúm a través de un sistema.

El sistema es donde se realiza el movimiento de un fluido para llevarlo de un punto a otro a través de líneas o redes que están formadas por conductos, accesorios y otros equipos para su transporte.

Conductos o tuberías

Definiendo los conductos en los que se realiza el movimiento de los fluidos desde una parte del proceso hasta otra, esto pude levarse a cabo en conductos abiertos y cerrados. Los conductos abiertos se llaman canales y los cerrados tubos. Los tubos pueden fabricarse de cualquier material de construcción disponible; ya sea de plástico, acero, vidrio, concreto, madera y muchos más. Los más comunes en la industria de proceso don de hierro, aceros, cobre y bronce.

Es posible unir secciones de tubos mediante diversas técnicas, las conexiones con rosca son las más comunes para tubos de diámetro pequeño. Los tubos pueden fabricarse con diferentes diámetros y espesores de pared, de manera que se hace necesaria una normalización. El American Nacional Standard Institute (ANSI), ha establecido un método para identificar tamaños de tubo. Para tubo de acero, los diámetros nominales pueden variar entre 1/8” a 30”. El diámetro nominal no es un diámetro interno, ni externo, pero para tamaños de 12 in y menores, es una aproximación del diámetro interno. Sin embargo, par cualquier espesor de pared, los tubos del mismo diámetro nominal tienen el mismo diámetro externo. Esto permite intercambiar accesorios.

El espesor de la pared del tubo se indica mediante un número de cedula, que es una función de la presión interna y el esfuerzo permisible.

Para aceros:

P Ced

No. 1000 (2.5) por ejemplo para el acero galvanizado 700kg/m2

(20)

Se usan diez números de cédula: 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160. (ver apéndice IX y X).

Los accesorios los podemos clasificar de acuerdo a la función que desempeñan como:

1.- Accesorios para controlar el flujo, válvulas.

2.- Accesorios para modificar el diámetro de la línea, reductores, expansores, etc.

3.- Accesorios que sirven para cambiar la dirección del flujo, codos, teés, yeés, cruces, etc.

4.- Accesorios que sirven para unir (accesorio-accesorio), (accesorio-tubería) y (tubería-tubería), coples, nicles, nudos o unión universal, bridas, etc.

5.- Accesorios para cambiar el tipo de unión, manguitos, conectores rápidos, etc.

6.- Accesorios para absorber el shock térmico o golpe de ariete, hidroceles, jarras, tiroides, discos de ruptura, etc.

7.- Accesorios para detener en un punto la línea o el flujo, tapones, hembra y macho.

8.- Accesorios para medir la variable controlada, (medidores), de pH, flujo, nivel, presión, temperatura, etc.

9.- Máquinas fluido-dinámicas, motores y generadores. 10.- Varios.

Para simplificar el análisis, las pérdidas se dividen en pérdidas mayores; debido al rozamiento en un flujo completamente desarrollado que pasa a través de segmentos con área de sección transversal constante, y pérdidas menores; debidas a la presencia de válvulas, bifurcaciones, codos, y a los efectos de rozamiento en aquellos segmentos del sistema cuya área de la sección transversal no es constante.

Válvulas

Son un accesorio que hace posible el control del flujo a través de una tubería con el objeto de variar en forma apropiada la variable controlada. Se pueden clasificar de acuerdo a su tipo de diseño mecánico como válvulas de compuerta y válvulas de asiento (ver apéndice XII).

Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.(monografías.com)

(21)

La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo. (monografías.com)

De acuerdo a la función que desempeñas se pueden clasificar como: a) Válvulas reguladoras de flujo.

Entre las que se tienen:

Categorías de válvulas. (monografías.com)

Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo (alivio).

Estas categorías básicas se describen a continuación. Seria imposible mencionar todas las características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien se presenta una descripción general de cada tipo en un formato general, se dan recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil para el lector.

Válvulas de compuerta.

La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento (Fig. 2-1).

Figura 2-1 Válvula de compuerta. Recomendada para

 Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.  Para uso poco frecuente.

 Para resistencia mínima a la circulación.

(22)

Aplicaciones

Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos.

Ventajas

 Alta capacidad.  Cierre hermético.  Bajo costo.

 Diseño y funcionamiento sencillos.  Poca resistencia a la circulación.

Desventajas

 Control deficiente de la circulación.

 Se requiere mucha fuerza para accionarla.  Produce cavitación con baja caída de presión.  Debe estar cubierta o cerrada por completo.

 La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco. Variaciones

 Cuña maciza, cuña flexible, cuña dividida, disco doble.  Materiales

 Cuerpo: bronce, hierro fundido, hierro, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, plástico de PVC.

 Componentes diversos.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento  Lubricar a intervalos periódicos.

 Corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura.

 Enfriar siempre el sistema al cerrar una tubería para líquidos calientes y al comprobar que las válvulas estén cerradas.

 No cerrar nunca las llaves a la fuerza con la llave o una palanca.

 Abrir las válvulas con lentitud para evitar el choque hidráulico en la tubería.  Cerrar las válvulas con lentitud para ayudar a descargar los sedimentos y

mugre atrapados.

Especificaciones para el pedido  Tipo de conexiones de extremo.  Tipo de cuña.

(23)

 Tipo de asiento.  Tipo de vástago.  Tipo de bonete.

 Tipo de empaquetadura del vástago.

 Capacidad nominal de presión para operación y diseño.  Capacidad nominal de temperatura para operación y diseño.

Válvulas de macho

La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90° (Fig. 2-2).

Figura 2-2 Válvula de macho. Recomendada para

 Servicio con apertura total o cierre total.  Para accionamiento frecuente.

 Para baja caída de presión a través de la válvula.  Para resistencia mínima a la circulación.

 Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería. Aplicaciones

 Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos.  Ventajas  Alta capacidad.  Bajo costo.  Cierre hermético.  Funcionamiento rápido. Desventajas

 Requiere alta torsión (par) para accionarla.  Desgaste del asiento.

(24)

 Cavitación con baja caída de presión. Variaciones

 Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples.  Materiales

 Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, Monel, níquel, Hastelloy, camisa de plástico.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

 Dejar espacio libre para mover la manija en las válvulas accionadas con una llave.

 En las válvulas con macho lubricado, hacerlo antes de ponerlas en servicio.  En las válvulas con macho lubricado, lubricarlas a intervalos periódicos.

Especificaciones para pedido  Material del cuerpo.  Material del macho.

 Capacidad nominal de temperatura.

 Disposición de los orificios, si es de orificios múltiples.  Lubricante, si es válvula lubricada.

Válvulas de globo

Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería (Fig. 2-3).

Figura 2-3 Válvula de globo. Recomendada para

 Estrangulación o regulación de circulación.  Para accionamiento frecuente.

 Para corte positivo de gases o aire y cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación.

(25)

Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas. Ventajas

 Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento.

 Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete.

 Control preciso de la circulación.  Disponible con orificios múltiples.

Desventajas

 Gran caída de presión.  Costo relativo elevado.

Variaciones

Normal (estándar), en "Y", en ángulo, de tres vías. Materiales

Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos.

Componentes: diversos.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

Instalar de modo que la presión este debajo del disco, excepto en servicio con vapor a alta temperatura.

Registro en lubricación.

Hay que abrir ligeramente la válvula para expulsar los cuerpos extraños del asiento. Apretar la tuerca de la empaquetadura, para corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura.

Especificaciones para el pedido  Tipo de conexiones de extremo.  Tipo de disco.

 Tipo de asiento.  Tipo de vástago.

 Tipo de empaquetadura o sello del vástago.  Tipo de bonete.

(26)

 Capacidad nominal para presión.  Capacidad nominal para temperatura.

Válvulas de bola

Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto (Fig. 2-4).

Figura 2-4 Válvula de bola. Recomendada para

 Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación.  Cuando se requiere apertura rápida.

 Para temperaturas moderadas y cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.

Aplicaciones

Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. Ventajas

 Bajo costo y alta capacidad.  Corte bidireccional.

 Circulación en línea recta.  Pocas fugas.

 Se limpia por si sola.  No requiere lubricación.

 Tamaño compacto y cierre hermético con baja torsión (par). Desventajas

 Características deficientes para estrangulación.  Alta torsión para accionarla.

 Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras y propensa a la cavitación.

(27)

Variaciones

Entrada por la parte superior, cuerpo o entrada de extremo divididos (partidos), tres vías, Venturi, orificio de tamaño total, orificio de tamaño reducido.

Materiales

Cuerpo: hierro fundido, hierro dúctil, bronce, latón, aluminio, aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, tántalo, zirconio; plásticos de polipropileno y PVC.

Asiento: TFE, TFE con llenador, Nylon, Buna-N, neopreno. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Dejar suficiente espacio para accionar una manija larga.

Especificaciones para el pedido  Temperatura de operación.  Tipo de orificio en la bola.  Material para el asiento.  Material para el cuerpo.  Presión de funcionamiento.  Orificio completo o reducido.  Entrada superior o entrada lateral.

Válvulas de mariposa

La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación (Fig. 2-5).

Figura 2-5 Válvula de mariposa. Recomendada para

 Servicio con apertura total o cierre total.  Servicio con estrangulación.

(28)

 Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos.

 Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería.  Para baja ciada de presión a través de la válvula.

Aplicaciones

Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión.

Ventajas

 Ligera de peso, compacta, bajo costo.  Requiere poco mantenimiento.

 Numero mínimo de piezas móviles.  No tiene bolas o cavidades.

 Alta capacidad.

 Circulación en línea recta.  Se limpia por si sola.

Desventajas

 Alta torsión (par) para accionarla.

 Capacidad limitada para caída de presión.  Propensa a la cavitación.

Variaciones

Disco plano, disco realzado, con brida, atornillado, con camisa completa, alto rendimiento.

Materiales

Cuerpo: hierro, hierro dúctil, aceros al carbono, acero forjado, aceros inoxidables, aleación 20, bronce, Monel.

Disco: todos los metales; revestimientos de elastómeros como TFE, Kynar, Buna-N, neopreno, Hypalon.

Asiento: Buna-N, viton, neopreno, caucho, butilo, poliuretano, Hypalon, Hycar, TFE. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

Se puede accionar con palanca, volante o rueda para cadena. Dejar suficiente espacio para el movimiento de la manija, si se acciona con palanca.

(29)

Las válvulas deben estar en posición cerrada durante el manejo y la instalación. Especificaciones para el pedido

 Tipo de cuerpo.  Tipo de asiento.  Material del cuerpo.  Material del disco.  Material del asiento.  Tipo de accionamiento.  Presión de funcionamiento.  Temperatura de funcionamiento.

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 (Fig. 2-6).

Figura 2-6 Válvula de diafragma. Recomendada para

 Servicio con apertura total o cierre total.  Para servicio de estrangulación.

 Para servicio con bajas presiones de operación. Aplicaciones

Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos.

Ventajas

 Bajo costo y no tienen empaquetaduras.  No hay posibilidad de fugas por el vástago.

(30)

 Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan.

Desventajas

 Diafragma susceptible de desgaste.

 Elevada torsión al cerrar con la tubería llena. Variaciones

 Tipo con vertedero y tipo en línea recta.  Materiales

 Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

Lubricar a intervalos periódicos.

No utilizar barras, llaves ni herramientas para cerrarla. Especificaciones para el pedido

 Material del cuerpo y material del diafragma.  Conexiones de extremo.

 Tipo del vástago.  Tipo del bonete.

 Tipo de accionamiento.

 Presión y temperatura de funcionamiento. Válvulas de apriete

La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o mas elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre si para cortar la circulación (Fig. 2-7).

Figura 2-7 Válvula de apriete. Recomendada para

 Servicio de apertura y cierre. Servicio de estrangulación.  Para temperaturas moderadas.

(31)

 Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula.  Para servicios que requieren poco mantenimiento.

Aplicaciones

Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos.

Ventajas

 Bajo costo.

 Poco mantenimiento.

 No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan.  Diseño sencillo.

 No corrosiva y resistente a la abrasión. Desventajas

 Aplicación limitada para vació y difícil de determinar el tamaño. Variaciones

Camisa o cuerpo descubierto; camisa o cuerpo metálicos alojados. Materiales

Caucho, caucho blanco, Hypalon, poliuretano, neopreno, neopreno blanco, Buna-N, Buna-S, Viton A, butilo, caucho de siliconas, TFE.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

Los tamaños grandes pueden requerir soportes encima o debajo de la tubería, si los soportes para el tubo son inadecuados.

Especificaciones para el pedido  Presión de funcionamiento.  Temperatura de funcionamiento.  Materiales de la camisa.

 Camisa descubierta o alojada. Válvulas de aguja.

Son las mejores controladoras de flujo y algunas de ellas tienen micrómetro, pueden tener asiento mecánico o no, se emplean generalmente para fluidos viscosos a alta

(32)

o baja temperatura, corrosivos o no; no son recomendables para fluidos sucios o con sólidos en suspensión. No se les recomienda para hacer cierres herméticos ya que se puede producir corte de pelo en sus asientos. Son de flujo no recto ni completo, no presentan asientos renovables y son direccionales.

Fig. 2.8 Válvula de aguja

.

b) Válvulas reguladoras de presión, (unidireccionales). Válvula check de balancín Válvula check vertical Válvula check horizontal Válvulas de retención (check)

Hay dos categorías de válvulas y son para uso específico, más bien que para servicio general: válvulas de retención (check) Al contrario de los otros tipos descritos, son válvulas de accionamiento automático, funcionan sin controles externos y dependen para su funcionamiento de sentido de circulación o de las presiones en el sistema de tubería. Como ambos tipos se utilizan en combinación con válvulas de control de circulación, la selección de la válvula, con frecuencia, se hace sobre la base de las condiciones para seleccionar la válvula de control de circulación.

Válvulas de retención (check).

La válvula de retención (Fig. 2-9) esta destinada a impedir una inversión de la circulación. La circulación del líquido en el sentido deseado abre la válvula; al invertirse la circulación, se cierra. Hay tres tipos básicos de válvulas de retención: 1) válvulas de retención de columpio, 2) de elevación y 3) de mariposa.

(33)

Esta válvula tiene un disco embisagrado o de charnela que se abre por completo con la presión en la tubería y se cierra cuando se interrumpe la presión y empieza la circulación inversa. Hay dos diseños: uno en "Y" que tiene una abertura de acceso en el cuerpo para el esmerilado fácil del disco sin desmontar la válvula de la tubería y un tipo de circulación en línea recta que tiene anillos de asiento reemplazables.

Recomendada para

 Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.

 Cuando hay cambios poco frecuentes del sentido de circulación en la tubería.

 Para servicio en tuberías que tienen válvulas de compuerta.  Para tuberías verticales que tienen circulación ascendente.

Aplicaciones

Para servicio con líquidos a baja velocidad. Ventajas

 Puede estar por completo a la vista.

 La turbulencia y las presiones dentro de la válvula son muy bajas.

 El disco en "Y" se puede esmerilar sin desmontar la válvula de la tubería. Variaciones

Válvulas de retención con disco inclinable. Materiales

Cuerpo: bronce, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, acero al carbono.

Componentes: diversos.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

 En las tuberías verticales, la presión siempre debe estar debajo del asiento.  Si una válvula no corta el paso, examinar la superficie del asiento.

 Si el asiento esta dañada o escoriado, se debe esmerilar o reemplazar.  Antes de volver a armar, limpiar con cuidado todas las piezas internas.

(34)

Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa.

Figura 2-9 Válvula de retención (tipo de elevación). Recomendada para

 Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería.  Para uso con válvulas de globo y angulares.

 Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema. Aplicaciones

Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación.

Ventajas

 Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total.  Acción rápida.

Variaciones

Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical.

Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor. Materiales

Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE.

Componentes: diversos.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento  La presión de la tubería debe estar debajo del asiento.  La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales.

(35)

 La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente, desde debajo del asiento.

 Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento.

Válvula de retención de mariposa

Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido embisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco solo se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo.

Recomendada para

 Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería.  Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación.

 Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete. Aplicaciones

Servicio para líquidos o gases. Ventajas

 El diseño del cuerpo se presta para la instalación de diversos tipos de camisas de asiento.

 Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión.  Funcionamiento rápido.

 La sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes.  Se puede instalar virtualmente en cualquier posición.

Variaciones

Con camisa completa. Con asiento blando. Materiales

Cuerpo: acero, acero inoxidable, titanio, aluminio, PVC, CPCB, polietileno, polipropileno, hierro fundido, Monel, bronce.

Sello flexible: Buna-N, Viton, caucho de butilo, TFE, neopreno, Hypalon, uretano, Nordel, Tygon, caucho de siliconas.

(36)

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

En las válvulas con camisa, esta se debe proteger contra daños durante el manejo. Comprobar que la válvula queda instalada de modo que la abra la circulación normal.

c) Válvulas reguladoras de seguridad o válvulas de desahogo (alivio). Válvulas de desahogo (alivio) o de seguridad

Una válvula de desahogo (fig. 2-10 es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla. La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles.

El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas.

Figura 2-10 Válvula de desahogo (alivio). Antonio Cejalvo Lapeña Ingeniero Industrial

CENTRO NACIONAL DE CONDICIONES DE TRABAJO

Esta Nota Técnica de Prevención dedicada a los aspectos generales de funcionamiento, instalación, montaje y mantenimiento de tales elementos de seguridad, se complementa con la siguiente NTP 346-1994, relativa al dimensionado y selección de válvulas de seguridad.

Introducción

En la industria constituye una situación normal la utilización de sistemas que operan a presión. Reactores, calderas, recalentadores, tanques de almacenamiento, tuberías y demás aparatos a presión, pueden verse sometidos a presiones superiores a la de diseño, con el consiguiente riesgo de explosión, pudiendo causar graves consecuencias tanto para las personas como para las

(37)

instalaciones cercanas. Para prevenir este riesgo se instalan en estos equipos válvulas de seguridad, que permitan por medio de la descarga del fluido contenido, aliviar el exceso de presión. Así, las válvulas de seguridad constituyen un elemento clave de seguridad utilizado ampliamente en la industria y exigido reglamentariamente, por lo que es importante entender adecuadamente su funcionamiento y sus limitaciones.

El objeto de la presente Nota Técnica de Prevención es dar a conocer las características constructivas y de funcionamiento de estos elementos, así como proporcionar una serie de guías y recomendaciones para realizar una correcta instalación, montaje y mantenimiento, con la finalidad que sus características de seguridad, que en un principio deben tener estos elementos, no se vean disminuidas por un error de diseño o de actuación.

Definiciones

Definimos en este apartado alguno de los términos y variables que se utilizarán en esta nota técnica.

Válvula de seguridad: Ese dispositivo empleado para evacuar el caudal de fluido necesario de tal forma que no se sobrepase la presión de timbre del elemento protegido.

Presión de tarado: Es la presión a la cual abre la válvula.

Sobrepresión: Es el incremento de presión que se produce por encima de la presión de tarado estando la válvula completamente abierta.

Presión de cierre: Es aquella presión a la cual se cierra la válvula una vez desaparecida la causa que motivó su apertura.

Escape: Es la diferencia existente entre la presión de tarado y la de cierre. Presión de precinto: Es la presión a la que están tarados los elementos de

seguridad que protegen el aparato o sistema. También se denomina "timbre" cuando se refiere a la presión máxima de servicio y es la que limita el propio sistema de seguridad.

Presión de servicio: Es la presión normal de trabajo del aparato o sistema a la temperatura de servicio.

Presión máxima de servicio: Es la presión más alta que se puede dar en el aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento del proceso. Es el máximo valor efectivo de tarado de la válvula de seguridad.

Temperatura de diseño: Es el valor de la temperatura que se toma para el cálculo del espesor del aparato en condiciones severas de funcionamiento.  Temperatura de servicio: Es el valor de la temperatura alcanzada en el

interior del aparato o sistema en condiciones normales de funcionamiento a la presión de servicio.

(38)

Temperatura máxima de servicio: Es el máximo valor de la temperatura que se estima puede producirse en el interior del aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento.

Temperatura mínima de servicio: Es el mínimo valor de la temperatura que se estima pueda producirse en el interior del aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento.

Tipos de válvulas Según su elevación

Válvulas de seguridad de apertura instantánea: Cuando se supera la presión de tarado la válvula abre repentina y totalmente.

Válvulas de alivio de presión: Cuando se supera la presión de tarado, la válvula abre proporcionalmente al aumento de presión.

Según su actuación

Válvulas de actuación directa: Son válvulas cargadas axialmente, que al alcanzar la presión de tarado abren automáticamente debido a la acción del fluido a presión sobre el cierre de la válvula.

Válvulas de actuación indirecta: Son válvulas accionadas por piloto. Deben actuar debidamente sin ayuda de ninguna fuente exterior de energía. Según su agrupación

Válvulas de seguridad sencilla: Son las que alojan en su cuerpo a un solo asiento de válvula.

Válvulas de seguridad dobles o múltiples: Son las que alojan en su cuerpo dos o más asientos de válvulas.

Según su conexión  Embridadas.  Roscadas.  Soldadas. Elementos

Algunos de los elementos más importantes presentes en las válvulas de seguridad se representan en la figura siguiente:

Funcionamiento

Las válvulas de seguridad de alivio de presión están diseñadas para abrir y aliviar un aumento de la presión interna del fluido, por exposición a condiciones anormales de operación o a emergencias.

(39)

Fig. 2-11-1 Partes fundamentales de las válvulas de seguridad.

Son actuadas por la energía de la presión estática. Cuando en el recipiente o sistema protegido por la válvula se produce un aumento de presión interna, hasta alcanzar la presión de tarado, la fuerza ejercida por el muelle es equilibrada por la fuerza producida por la presión sobre el área del disco de cierre (Fig. 2-11-2). A partir de aquí, un pequeño aumento de presión producirá el levantamiento del disco de cierre y permitirá la salida del fluido. Si se trata de una válvula de seguridad de apertura instantánea, el disco de cierre se separará repentina y totalmente, debido al incremento de la fuerza resultante del producto de la presión por el incremento del área del disco de cierre. Pero si se trata de una válvula de alivio de presión, la válvula abrirá proporcionalmente al incremento de presión producido.

(40)

Fig. 2-11-2: Disco de cierre

Cuando la presión disminuye, la válvula cierra a una presión ligeramente inferior a la presión de tarado como consecuencia de la energía cinética del fluido en el escape. En la figura 2-11-3 se pueden apreciar los diferentes niveles de presión existentes. Son a diferencia de otros dispositivos de alivio (discos de rotura, tapones fusibles térmicos, etc.) mecanismos diseñados para cerrar cuando la presión haya sido restablecida, quedando en disposición de actuar y prevenir un nuevo alivio del fluido.

Fig. 2-11-3: Diagrama de evolución de la presión en la apertura y cierre de una válvula de seguridad

En cuanto al valor del tarado, en general y como criterio preventivo, la presión de tarado de las válvulas de seguridad instaladas en un equipo no sobrepasará la presión de diseño ni la máxima de servicio del equipo y el dimensionado del conjunto de válvulas que protegen el equipo debe ser tal que permita aliviar la cantidad de fluido necesario para que el aumento de presión no exceda del 10 por 100 de la presión de tarado para cualquier condición de funcionamiento, y con esto nos referimos a las condiciones más desfavorables posibles.

Este criterio preventivo se deriva de diversas normativas para determinados equipos concretos a los cuales son de aplicación, como es el caso de:

 En la Instrucción Técnica Complementaria MIE-AP1 del Reglamento de Aparatos a Presión, el art. 15 cuando trata de válvulas de seguridad para calderas de vapor saturado, sobrecalentadores y recalentadores de vapor dice "... las cuales deberán precintarse a una presión que no exceda de un 10 por 100 a la de servicio, sin sobrepasar en ningún caso a la de diseño....

(41)

El conjunto de válvulas de seguridad bastará para dar salida a todo el vapor producido en régimen máximo, sin que el aumento de presión en el interior de la caldera pueda exceder del 10 por 100 de la presión de precinto correspondiente."El art. 16 cuando se refiere a válvulas de seguridad para calderas de agua sobrecalentada, dice que "... una de las cuales, al menos, estará precintada a la presión de diseño o por debajo de ésta. La presión de precinto de las demás válvulas no excederá de un 3 por 100 de la presión de precinto de la primera válvula. El conjunto de ambas válvulas deberá dar salida a un caudal de vapor equivalente a la potencia térmica del aparato a la presión efectiva máxima de servicio, y sin que la presión de la caldera sobrepase en más de un 10 por 100 la presión de precinto correspondiente a la válvula precintada a menor presión.", el art. 17 cuando se refiere a válvulas de seguridad para economizadores y precalentadores de agua y el art. 18 para calderas de agua caliente para instalaciones en circuito cerrado, dicen que las válvulas de seguridad cumplirán con las especificaciones indicadas en el art. 16, ya citadas.

 En la Instrucción Técnica Complementaria MIE-APQ-001 del Reglamento sobre Almacenamiento de Productos Químicos se establece para el venteo de emergencia para depósitos a presión, que "... permitirá dar salida a los vapores producidos por efecto del calor recibido, sin que pueda aumentar la presión en el interior del deposito en más del 10 por 100 de la máxima presión de diseño. "

 También otras normas extranjeras como la BS 5500 comparten este criterio, ya que requiere que la presión de tarado y la máxima presión de alivio no deberían de exceder del 100 y 110 por 100 de la presión de diseño respectivamente.

Ahora bien, la presión de tarado de las válvulas de seguridad, aunque no deba sobrepasar la presión máxima de servicio, y para algunos equipos como las calderas de vapor saturado, sobrecalentadores y recalentadores de vapor, tampoco el 110 por 100 de la presión de servicio, no es conveniente que el tarado sea igual o muy cercano a la presión de servicio, ya que de ser así, estarían continuamente abriendo y aliviando fluido, así pues es importante aplicar el criterio anteriormente expuesto pero respetando un cierto diferencial de presión entre la presión de servicio y la de tarado.

Un aspecto que tiene una notable influencia en el establecimiento del punto de funcionamiento de las válvulas de seguridad es la contrapresión existente en el escape de la válvula, que puede estar generado por pérdidas de carga en la tubería de escape, presiones en la salida o por la instalación de silenciadores, filtros u otros mecanismos en la tubería de escape de la válvula.

Para analizar el efecto de la contrapresión en el punto de tarado de la válvula, realicemos un balance de fuerzas sobre el disco de cierre.

(42)

Fig. 2-11-4: Balance de fuerzas sobre el disco de cierre de la válvula de seguridad

El balance de fuerzas antes de que la válvula abra es:

F1 = Ra + P Ad + (Av - Ad) Pc (2.6) Donde:

F1 es la fuerza inicial del resorte. Ra es la reacción en los apoyos.

P es la presión en el interior del equipo. Ad es el área efectiva del disco de cierre. Av es el área del vástago.

Pc es la contrapresión

En el momento en que la válvula va a abrir, la presión en el interior del equipo pasa a ser la presión de tarado Pt, y la reacción en los apoyos desaparece, quedando la ecuación anterior en:

F1 = Pt + Ad + (Av - Ad) Pc (2.7) Con lo que la presión de tarado tiene la siguiente expresión:

Pt = k1 F1 + k2 Pc (2.8) Donde:

k1 = 1/ Ad (2.9) k2 = (Ad - Av) / Ad (2.10) Es decir la presión de tarado es proporcional a la fuerza inicial que ofrece el resorte mediante la constante k1 y a la contrapresión existente, mediante una constante

(43)

que es función del área del vástago y del disco de cierre. Así pues queda claro que la presión de tarado de la válvula de seguridad, no solo depende del resorte y de sus características constructivas, sino que también depende de las condiciones de operación, a través de la contrapresión existente. Con lo que las válvulas conviene tararlas, tal y como marca la norma UNE 9-100-86, una vez instalada la misma en las condiciones de fluido, presión y temperatura correspondientes a su servicio. Algunos fabricantes muestran en las especificaciones técnicas de la válvula, gráficos para realizar un correcto tarado inicial de la válvula de seguridad, en función de la contrapresión existente y de la presión de tarado que se pretende alcanzar.

También existen algunos tipos de válvulas de seguridad comercializadas que incorporan un fuelle intermedio con el objeto de eliminar el efecto de la contrapresión.

Características constructivas

Los materiales empleados en la construcción de las válvulas de seguridad deberán ser adecuados para la presión, temperatura y fenómenos de corrosión según el fluido que contenga el recipiente y para cualquier condición de operación. La presión nominal de la válvula de seguridad deberá ser superior al 110 por 100 de la presión máxima de servicio, ya que es la que se alcanzará en el interior del equipo, pero preventivamente sería conveniente que fuera, al menos, dos veces la presión máxima de servicio.

La temperatura límite de trabajo de la válvula de seguridad debe de ser superior a la temperatura máxima de servicio del equipo protegido, es decir superior a aquella que se puede alcanzar en condiciones extremas de funcionamiento. Por ejemplo, para el caso de equipos que contienen líquidos con aporte energético, la temperatura límite de la válvula debe ser superior a la temperatura de saturación del líquido contenido al 110 por 100 de la presión de tarado de la válvula, puesto que es la que se alcanzaría en caso de fallo del mecanismo de corte del aporte energético.

En cuanto al diseño, las válvulas de seguridad deben de estar construidas de forma que la rotura de cualquier parte de ella no pueda obstruirla descarga libre y total del fluido a presión.

Las partes móviles, cierres y vástagos, deben de estar guiados de forma efectiva y se debería tener en cuenta el posible efecto de la expansión y contracción diferencial, así como la presencia de grasas y depósitos.

Cada válvula debería llevar incorporada de forma permanente la información necesaria para identificar al elemento, como: identificación del fabricante, tamaños nominales de entrada y salida, sentido del flujo, presión de tarado, coeficientes de descarga y sección neta correspondiente al flujo.

Es conveniente que cada válvula de seguridad esté provista de una palanca de apertura manual que permita descargarla a una presión inferior a la de tarado, pero

Figure

Actualización...