Control de flujo de agua – Cómo funciona

¿Qué son las válvulas de control de caudal?

Las válvulas de control de caudal están diseñadas para mantener un caudal máximo constante preestablecido, independientemente de la demanda fluctuante o de la variación de la presión del sistema. La limitación de caudal es necesaria en las salidas de los sistemas principales hacia los consumidores, como sistemas secundarios (línea principal a línea de hidrantes; línea de hidrantes a línea de distribución), depósitos, etc., con el fin de proteger el sistema de suministro contra el consumo excesivo. El consumo se determina por la demanda de los usuarios aguas abajo de la válvula de control de caudal, de acuerdo con el número de emisores en el campo y sus datos de caudal, el número de usuarios que riegan al mismo tiempo, y componentes externos como depósitos y sistemas de respaldo.

Caudal del sistema en función del tiempo con válvula limitadora de caudal y sin ella (línea discontinua)

No pudiendo controlar a los usuarios, los diseñadores están utilizando válvulas limitadoras de caudal para asegurar que el caudal no supere significativamente el caudal de diseño. Al limitar el caudal, protegemos el sistema de suministro de una demanda excesiva, dándole prioridad sobre los usuarios cuando intentan consumir más de lo especificado por el sistema.

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Introducción

La modernización del riego tiene como objetivo ahorrar agua y energía mediante la mejora de la infraestructura de riego — pasando de riego por inundación a sistemas presurizados y, de este modo, aumentando la eficiencia del riego y optimizando el uso de los recursos hídricos existentes. El diseño hidráulico de los sistemas de riego presurizado se basa en dos parámetros principales: caudal y presión. En función de estos parámetros, se establece el diseño completo del sistema: se seleccionan las bombas, se determina el tipo y tamaño del sistema de filtración, se definen los materiales y diámetros de las líneas principales y de distribución, además del número, dimensiones y ubicación requeridos de los reservorios.

El uso de un caudal menor durante un tiempo más prolongado convierte el “esquema de operación de riego” (turnos de riego) en una herramienta principal de diseño para reducir la energía requerida y el diámetro de las tuberías y componentes del sistema. El riego se divide entonces en turnos que permiten ahorrar energía y gastos iniciales. Este diseño detallado se basa en el hecho de que se conoce el caudal en la línea principal y el caudal requerido para cada turno de riego.

Por lo tanto, si no limitamos el caudal en sistemas con múltiples usuarios, el consumo descontrolado provocará una caída de presión significativa en todo el sistema. Esto puede causar cavitación en la bomba y los componentes, sobrecarga en el consumo de energía, generación de aire, succión de suciedad, etc. Una desviación significativa de más del 10-15% respecto a los parámetros de diseño conocidos de caudal y presión dará como resultado un sistema de riego que funciona muy deficientemente. Esto se puede evitar implementando válvulas limitadoras de caudal.

Pueden producirse demandas de campo superiores al caudal de diseño debido a:

• Llenado de tubería
• Cambio de turnos de riego
• Sobrepresión
• Retrolavado de filtro
• Llenado de depósito

Aplicaciones de control de caudal en sistemas de riego

1. Protección de la bomba y del sistema

a) Limitar el caudal en la salida hacia la parcela para proteger la bomba de condiciones de sobrecapacidad, sobrecarga y cavitación, y mantener el caudal de diseño.
b) Limitar el caudal en la línea principal para proteger la bomba y el sistema de sobrecarga y cavitación, y mantener una curva de bomba plana como se muestra en el gráfico a continuación. Cuando la demanda es significativamente mayor que el diseño:

• La presión suministrada en el campo se reduce 
• El impulsor de la bomba gira a una velocidad muy alta, lo que provoca condiciones de cavitación y carga vertical sobre el eje.
• El consumo de energía excede los parámetros de diseño, lo que provoca un mayor uso de corriente que podría causar problemas en la bomba debido a la sobrecarga de la red eléctrica.

2. Líneas vacías «llenan» el control 

Control de caudal para sistemas que se vacían entre turnos de riego, tales como:

• Máquinas de riego y pivotes centrales
• Sistemas de rociadores en pendiente descendente
• Sistemas de goteo no compensados de baja presión
• Sistemas de riego por pulsos  

El siguiente video muestra el proceso de llenado de una máquina de riego (pivote central):

3. Control de caudal durante el retrolavado del filtro

Control de caudal para evitar el “arrastre” del medio filtrante desde el filtro, las mallas y el posible colapso del elemento filtrante, además de ahorrar agua y energía.

El siguiente video muestra diferentes válvulas de control requeridas en un sistema de filtración, entre ellas, las válvulas de control de caudal:

4. Llenado de reservorio y control de nivel

Las válvulas de control de nivel regulan cuando el nivel de agua en el depósito desciende. Cuando esto ocurre al mismo tiempo que el sistema está operando/irrigando, puede provocar una caída de presión para todos los demás usuarios. Por lo tanto, al limitar el caudal de llenado del depósito, protegemos el sistema de este tipo de caída de presión. Además, el uso de una válvula de control de caudal y nivel puede proporcionar protección tanto para la válvula como para el depósito ante condiciones de alto caudal de llenado y cavitación.

Sistemas con Válvulas de Control de Caudal – Principios

1. Válvulas limitadoras de caudal reaccionan ante un aumento de los parámetros que controlan, cerrándose de forma modulante.
2. Este es un proceso «progresivo» = un aumento en la demanda provoca que la válvula reduzca el caudal de manera progresiva.
3. Cuanto más se cierra la válvula, más se reduce la presión aguas abajo.
4. Cuando la demanda es menor que los parámetros de diseño, la válvula se abre completamente.

Si el caudal de ajuste de la válvula es igual al caudal nominal de diseño, la válvula permanecerá constantemente en modo de regulación, generando una mayor pérdida de carga (menor presión aguas abajo en el campo) y condiciones de operación más exigentes, lo que aumenta el riesgo de daños por cavitación en la válvula.

Algunas buenas razones para calibrar entre un 10-15% por encima del caudal de diseño:

Bermad recomienda encarecidamente calibrar la válvula limitadora de caudal entre un 10 y un 15% por encima del caudal nominal de diseño del proyecto por las siguientes razones:

1. Si el caudal de ajuste de la válvula es igual al caudal nominal de diseño, la válvula estará constantemente en modo de regulación, los consumidores sufrirán de baja presión de operación y la válvula estará constantemente bajo condiciones de operación exigentes.
2. La probabilidad de que todos los usuarios de un sistema de riego presurizado rieguen al mismo tiempo es estadísticamente baja, por lo tanto, el riesgo de una demanda excesiva en el sistema, incluso cuando el ajuste está un 15% por encima de la tasa nominal, es muy poco probable.
3. Las consideraciones de diseño se centran en los cálculos energéticos y se busca utilizar válvulas con la mínima pérdida de carga posible. Obligar a que las válvulas estén constantemente en modo de regulación perturba y contradice esta tendencia.
4. Si se ajusta al caudal nominal, el caudal no aumentará incluso cuando haya una rotura en la parcela, evitando que el controlador del sistema lo identifique y alarme en caso de rotura.

Válvula de control de caudal – Sensores de caudal comunes y métodos de control

1. Orificio aguas arriba como sensor de caudal

Instalada aguas arriba de la válvula, la placa de orificio mecanizada está dimensionada para generar una presión diferencial conocida para un caudal determinado.

2. Conducto de presión diferencial (orificio tubular interno) como sensor de caudal

El conducto interno de presión diferencial es en realidad un dispositivo interno, instalado dentro de la válvula, diseñado para detectar una presión diferencial conocida para un caudal determinado. Las ventajas del TubeOrifice sobre el orificio estándar son:

3. Orificio aguas abajo como sensor de caudal (para aplicaciones de llenado de depósitos)

Ubicado aguas abajo de la válvula, la presión diferencial en el orificio puede determinarse controlando únicamente la presión de entrada al orificio, ya que la presión aguas abajo del orificio es constante e igual al nivel de agua del depósito.  La válvula limita el caudal de llenado del depósito simplemente reduciendo la presión aguas arriba del orificio (entre el orificio y la válvula), priorizando así a los consumidores sobre el llenado del depósito y proporcionando control de nivel y protección contra cavitación de la válvula.

4. Piloto tipo paleta como sensor de caudal

• Si la demanda aumenta, la velocidad del flujo incrementa — empujando la paleta, de modo que el piloto controla la válvula para estrangular el cierre y limita el flujo de regreso al ajuste del piloto. Si la demanda disminuye, la velocidad del flujo disminuye, permitiendo que el resorte del piloto empuje la paleta de regreso hacia la posición vertical y el piloto controla la válvula para abrirla completamente.
• Este método se asocia con una pérdida de carga muy baja (en comparación con los sensores de presión diferencial) y con un rango de ajuste muy amplio que puede ser fácilmente regulado en campo.

Nota: Para velocidades de flujo inferiores a 1 m/s, se recomienda un piloto servo de paleta de 2/3 vías.

Válvulas de control de caudal – Instalaciones de proyectos

Sistema de gestión de salidas Orissa, India

Las fotos a continuación muestran un sistema típico de gestión de salidas en la India, equipado con válvulas de campo de control de caudal y válvulas reductoras de presión (Bermad Modelo IR-2″L-172). Cada válvula controla el riego de una parcela perteneciente a un agricultor diferente. El proyecto incluye 726 Sistemas de Gestión de Salidas (OMS), cada uno con válvula de aislamiento, filtro cazapiedras, ventosa, válvula de control de campo y automatización.

El caudal es controlado por pilotos tipo paleta de 3 vías.

Bermad es el principal proveedor de este proyecto en curso, con aproximadamente 3,500 válvulas poliméricas; cada una fue probada y calibrada de acuerdo con los requisitos de diseño en la fábrica de Bermad.

La imagen de la izquierda muestra la Válvula de Control de Caudal y Reducción de Presión Bermad Modelo IR-172 en banco de pruebas para ensayos y calibración; la imagen de la derecha muestra la instalación OMS en el sitio, Orissa, India.

Estudio de caso: CCRR Callen en España

CCRR Callen en España es un consorcio de riego de 1,872 ha con 70 usuarios que cultivan maíz, cebada, trigo y alfalfa. El consorcio quería modernizar su infraestructura de riego porque estaba obsoleta, era ineficiente y requería una operación manual intensiva.

La solución de riego integrada de Bermad para Callen incluyó una línea principal y soluciones contra golpe de ariete, así como hidrómetros IR-972 de control remoto para reducción de presión y control de caudal en cada parcela.

El consorcio controla de forma remota cada hidrómetro de acuerdo con los turnos de riego diseñados.

Los hidrómetros de control de caudal IR-972 con piloto tipo paleta se instalan en la cabecera de riego para controlar:

• Riego normal: Garantizar que la presión del sistema y los componentes (bombas, tuberías, filtros, válvulas, ventosas) no excedan los requisitos de diseño.
• Llenado de tuberías: Limita el caudal de llenado de la línea, previniendo la caída de presión en el sistema de suministro y el posible golpe de ariete asociado al final del proceso de llenado a alta velocidad.
• Rotura: Garantiza el funcionamiento del sistema incluso en caso de una rotura de tubería en el extremo del agricultor.