Reducción de presión y cavitación: respuestas a sus preguntas

La optimización de los valores de presión y caudal es una parte integral del diseño de sistemas de riego. Con fluctuaciones constantes y, a menudo, drásticas en el caudal de demanda y la presión de suministro, las válvulas y otros componentes deben garantizar un control dinámico de la presión y el caudal en todo el sistema.

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En el seminario web de BERMAD, “Reducción de presión y prevención de cavitación en sistemas de riego”, nuestro Gerente Global de la Unidad de Riego, Yiftah Enav, presentó los principios, métodos, sistemas y soluciones de BERMAD para la reducción de presión y la prevención de cavitación. Yiftah compartió valiosos consejos sobre cómo seleccionar las válvulas de control reductoras de presión (PRVs) más eficaces para un rendimiento a largo plazo y ahorro de costos.

Durante el seminario web, se abordaron preguntas relacionadas con la teoría de la cavitación, erosión, velocidad, ΔP y la práctica de seleccionar, combinar y asignar eficazmente válvulas de control reductoras de presión:

P: ¿Cuál es la diferencia entre las válvulas reductoras de presión y las válvulas reductoras de presión proporcionales?

A: Las válvulas reductoras de presión (PRV) son ajustables y están diseñadas para reducir de manera continua una presión aguas arriba más alta a una presión aguas abajo constante y más baja, independientemente de los cambios en la presión de entrada y/o en el caudal de demanda.

Válvulas Reductoras de Presión Proporcional (PPRVs) no incluyen piloto y, por lo tanto, no son ajustables. Basadas en la relación entre las áreas efectivas de su diafragma y cierre, las PPRVs reducen continuamente una mayor presión aguas arriba a una menor presión aguas abajo en una relación constante.

Sólo las válvulas de doble cámara pueden funcionar como PPRV.

P: ¿Para todos los tamaños, el factor de reducción de PD es 2.5?

A: El factor de reducción de PD es 2.5 en la mayoría de las series y tamaños; sin embargo, este factor puede variar y se puede consultar en nuestro sitio web, listas de precios y páginas de productos correspondientes. Consulte la tabla de relación de reducción correspondiente para cada tamaño y serie de válvula (100, 700).

P: ¿Podemos usar válvulas reductoras de presión para reducir la presión estática? ¿Puede una válvula reductora de presión funcionar en condiciones sin flujo?

R: Sí. Cuando el caudal de demanda cae a cero, momentáneamente el caudal que llega a la línea a través de la válvula reductora de presión (PRV) es mayor que el caudal que sale de la línea (que es cero). Como resultado, la presión se acumula y aumenta ligeramente en la línea aguas abajo de la PRV. El piloto de la PRV detecta una presión superior al valor de ajuste y cierra la PRV, «intentando» reducir la presión al valor establecido. Como el caudal es cero (punto muerto), incluso cuando la válvula está completamente cerrada y hermética, la presión permanecerá ligeramente por encima del valor de ajuste (suponiendo que no haya fugas), lo que garantiza que la PRV permanezca cerrada.

P: Se ha afirmado que no siempre es posible que la válvula reductora de presión (PRV) mantenga la presión P2 cuando el flujo se detiene repentinamente, en comparación con una PRV de acción directa. Para este propósito, se requiere una válvula de alivio de presión aguas abajo de la PRV. ¿Cuál es su respuesta a esta afirmación?

A: Los reguladores de presión de acción directa pueden ser más rápidos que los hidráulicos, pero son claramente inferiores en cuanto a pérdida de carga, funciones adicionales (incluso apertura/cierre), sensibilidad, precisión, mantenimiento y aún requieren una válvula de alivio de presión para proteger el sistema en caso de que los reguladores de presión directa se traben o no sellen correctamente.

Para acelerar el tiempo de respuesta, se puede añadir un piloto de presión aguas abajo o, preferiblemente, utilizar una válvula reductora de presión de doble cámara.

P: Ajustamos la válvula reductora de presión (PRV) en P1 para mantener la presión requerida en P2. En esta condición, P1 es según el diseño (teóricamente), pero en la práctica P1 varía debido a la operación parcial del área, variaciones en la demanda, funcionamiento de la bomba o fugas. ¿Cuál es la presión en P2 durante esta condición? ¿Cambia (aumenta)? ¿Es necesario volver al sitio para ajustar la presión o se mantiene automáticamente la presión en P2? Además, ¿qué sucede con el caudal durante las variaciones cuando P1 cambia?

A: Las válvulas reductoras de presión son controladas de forma continua por un piloto reductor de presión que solo detecta P2. Los cambios en la demanda y/o en P1 que afectan a P2 son detectados de inmediato por el piloto, lo que provoca que sus dispositivos internos cambien de posición y estrangulen instantáneamente la válvula para cerrarla (cuando P2 sube) o abrirla (cuando P2 baja) hasta alcanzar el ajuste del piloto.

El caudal es determinado por los emisores y salidas del sistema, no por la válvula reductora de presión (PRV). De hecho, la PRV ajusta automáticamente su grado de apertura según la demanda real (& P1), evitando estar “demasiado abierta” o “demasiado cerrada” para mantener siempre la presión P2 establecida.

P: ¿Cuáles son las diferencias prácticas entre las válvulas reductoras de presión (PRV) con controles de dos vías y de tres vías?Dado que un circuito de tres vías está ventilado a la atmósfera, ¿afectará esto la estabilidad de regulación de una válvula accionada por diafragma?

A: Un circuito de tres vías se caracteriza porque el piloto “selecciona” la ruta del agua: de P1 al control (cerrando) o del control al venteo (abriendo). Esto permite utilizar un volumen muy pequeño de agua de control y da como resultado dos comportamientos diferentes:

• Histéresis (ya que es necesario que se “acumule” un cierto cambio antes de que los pasos en el piloto “conmuten”), lo que se considera menos sensible, pero en pilotos de alta calidad es lo suficientemente pequeña. La histéresis en sí a veces es esencial para eliminar la inestabilidad de la presión en la línea al “interrumpir” la cadena de reacción en el sistema.
• Totalmente abierta ante una caída de presión (ya que el piloto ventila, “anulando” todas las fuerzas de cierre), lo que permite ahorrar energía. La ventilación a la atmósfera a veces provoca una apertura excesivamente rápida, lo que resulta en inestabilidad. Esto puede solucionarse fácilmente aplicando un gotero u otra restricción en el extremo del tubo de ventilación.

 

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P: ¿Cuál es la pérdida de presión +/- a través de un circuito de control de dos vías?

A: Un circuito de dos vías se caracteriza por un flujo continuo desde P1 a través de una restricción hacia la cámara de control, mientras que el piloto “conecta” la cámara de control con la salida de la válvula, liberando la presión de la cámara mientras la válvula permanece abierta. Esto genera un volumen relativamente alto de agua de control (0,2-0,5 m³/h; 0,9-2,2 gpm) y resulta en sensibilidad al agua sucia con los siguientes comportamientos hidráulicos:

• Histéresis prácticamente nula, ya que el recorrido requerido del piloto para aumentar (abrir) o disminuir (cerrar) el flujo de descarga es insignificante y, por lo tanto, inmediato. Si bien esto es una ventaja, a veces resulta demasiado sensible y puede provocar oscilaciones.
• Pérdida de carga adicional (3-5 m; 4.4-7 psi) generada por la fuerza del resorte + P2 en la cámara de control. Esta pérdida de carga adicional desaparece cuando la velocidad de flujo de la válvula supera aproximadamente 2 m/s; 6.6 pies/s y la fuerza de apertura de la válvula (debido a ΔP) supera la fuerza del resorte de la válvula principal.

P: ¿Cuáles son los criterios de dimensionamiento para la restricción de entrada del circuito en el control de dos vías?

A: La restricción de control de dos vías debe ser menor que el conducto de agua del piloto para permitir una regulación estable y precisa, junto con la menor pérdida de carga adicional posible y un tiempo de reacción suficiente. Podemos decir que el criterio es el tamaño del conducto de agua en el piloto, que está relacionado con el tamaño de la válvula.

P: ¿Para qué tipo de aplicaciones se pueden utilizar las válvulas reductoras de presión proporcionales?

A: Líneas de gravedad descendente y/o cuando se requiere una ΔP alta y se necesita una reducción de presión en dos etapas para proteger las válvulas de la erosión y la cavitación, y para proporcionar protección de respaldo al sistema.

P: Al suministrar agua cuesta abajo desde un embalse de regulación a varios pequeños tanques de riego (es decir, descarga directa a la atmósfera como se explicó en el caso de los tanques de ruptura de presión), ¿qué tipos de válvulas reductoras de presión (PRV) se pueden utilizar? ¿Podría aclarar este punto?

A: La solución recomendada para reemplazar los tanques de ruptura de presión (PBT) es aplicar válvulas reductoras de presión pilotadas (PPRV), que ofrecen los siguientes beneficios:

• Sin válvulas de control de nivel
• Infraestructura rentable
• No hay presión “0” aguas abajo
• Respuesta inmediata – cámara doble
• Sin mantenimiento: no requiere pilotos, restricciones ni filtros
• Sin contaminación

Sin embargo, como la relación de reducción de la PPRV es constante, cuando la presión aguas arriba disminuye debido a la pérdida de carga por fricción en la línea, también lo hace la presión aguas abajo. Dado que el caudal de demanda de riego varía, es necesario ubicar las PPRV en función de las diferencias de elevación (presión máxima aguas arriba) y de la carga real a caudal/fricción máxima (presión mínima aguas arriba). Como cada PPRV determina la presión para la siguiente PPRV, el cálculo de diseño resulta algo complejo. BERMAD desarrolló un archivo de Excel que considera todos los parámetros como herramienta de apoyo para el diseño.

P: ¿Qué restricciones deben usarse para las PPRV?
R: Las PPRV no requieren ninguna restricción.

P: ¿Se puede diseñar una válvula reductora de presión tomando el caudal como variable en lugar de la presión de salida? ¿Podemos utilizar una válvula limitadora/controladora de caudal como opción para una válvula reductora de presión en algunos casos, como en una línea por gravedad?

A: Se deben considerar varios aspectos relacionados con la presión y el caudal en las válvulas reductoras de presión:

• Las válvulas reductoras de presión solo detectan la presión aguas abajo (P2). El caudal se determina por el consumo de agua del sistema aguas abajo de la válvula reductora (emisores, depósitos, poblaciones, etc.). Si la demanda de caudal aumenta y P2 disminuye, la válvula reductora “intentará” aumentar P2 hasta el valor ajustado abriéndose (permitiendo mayor caudal). Si la demanda de caudal disminuye y P2 aumenta, la válvula reductora se cerrará parcialmente para reducir P2 al valor ajustado (permitiendo menor caudal).
• Se puede convertir la PRV en una Válvula de Control de Caudal (FCV) o añadir una función de control de caudal a una PRV, convirtiéndola en una válvula reductora de presión y control de caudal.
• La FCV es muy similar a la PRV, pero en lugar de sensar la P2, el piloto de la FCV detecta ΔP o ΔF (que es la “expresión” hidráulica del caudal) a través de una placa de orificio, un tubo de Pitot o una paleta ubicada dentro del flujo. Si la demanda supera el ajuste (incluso cuando la presión es baja), el aumento de la velocidad del flujo incrementará ΔP o ΔF y la FCV se cerrará parcialmente para limitar el caudal al valor ajustado.
  

  

• Agregar una función de control de caudal a una válvula reductora de presión (PRV), convirtiéndola en una válvula de reducción de presión y control de caudal, significa que tenemos dos pilotos diferentes en la misma válvula. Uno controla el caudal en función de la detección de ΔP o ΔF a través de
• una placa de orificio, un tubo Pitot o una paleta; el otro detecta P2 y controla la válvula en consecuencia.
  

  Si la demanda aumenta y P2 disminuye, el piloto de caudal tomará el control para limitar el caudal al valor establecido. Si la demanda disminuye, el piloto de caudal permite que la válvula se abra. Si P2 aumenta, ya sea por un incremento de P1 o por una disminución de la demanda, el piloto reductor tomará el control y estrangulará la válvula hasta cerrarla.

  
  

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• Cuando el piloto limitador de caudal está en control, la válvula se cierra, lo que provoca que P2 caiga a veces por debajo del ajuste del piloto reductor, el cual no domina la válvula y no puede aumentar P2 mientras la demanda esté por encima del ajuste del piloto de caudal. Por esta razón, se recomienda ajustar el piloto de caudal entre un 15 y un 20% por encima del caudal nominal de la línea.

P: Instalamos cuatro válvulas en la entrada del chak (bloque principal) donde la presión de entrada (P1) es de 60 m y las 4 válvulas de sub-chak (lote) tienen diferentes requerimientos de presión (P2) (es decir, P2 para la Válvula 1 = 35 m, Válvula 2 = 25 m, Válvula 3 = 45 m, Válvula 4 = 50 m). La longitud, el diámetro y la elevación de la tubería de distribución del sub-chak varían, pero se requiere el mismo caudal al final de cada salida de sub-chak. Entonces, ¿podemos mantener el mismo caudal al final de la salida del sub-chak cuando P1 es constante, pero P2 varía?

A: La respuesta depende de si el riego es presurizado y se realiza mediante goteo, aspersores o microjets (cualquier emisor con caudal conocido), o si se trata de riego por inundación donde el extremo de la tubería de distribución está abierto a la atmósfera.

• En el riego presurizado MIS, el caudal se determina por la suma de los caudales de todos los emisores del sub-chak y se mantiene mientras P2 esté según el diseño y no se haya producido ninguna rotura.
• En el riego por inundación, la reducción de presión es irrelevante ya que el extremo de la línea está abierto. La solución adecuada es una válvula de control de caudal, que dejará una presión baja en la línea de distribución (pérdida por fricción a un caudal determinado + elevación).

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P: ¿Podemos cambiar de forma remota el ajuste de presión y caudal de la válvula reductora de presión (PRV)?

A: Las válvulas reductoras de presión (y todas las válvulas de control hidráulico) pueden aceptar dos pilotos ajustados a diferentes presiones. Instalar un solenoide para “seleccionar” entre los pilotos permitirá cambiar de forma remota entre los regímenes de presión.

Otras opciones requieren agregar dispositivos al piloto para permitir el ajuste remoto dinámico. Esto también requerirá controladores especiales para habilitar el control analógico.

P: ¿Cuál es el rango óptimo de recorrido de la válvula en las válvulas hidráulicas reductoras de presión?

R: En algún punto entre el 15% y el 30% dependiendo del tipo de válvula, las condiciones de presión y caudal, el tiempo de operación anual y otros factores. Aplicar un tapón en V obliga a la válvula reductora de presión (PRV) a abrirse más para manejar mejor los caudales bajos. Esto permite que la PRV esté aproximadamente un 15% abierta incluso cuando la velocidad del flujo desciende a unos 0,5 m/s.

P: En una red de distribución con bombeo directo, ¿cómo responderá la válvula reductora de presión (PRV) cuando ocurra un corte de energía y la presión aguas arriba aumente repentinamente? ¿Podrá mantener la presión P2 aguas abajo?

A: Esto es complejo, ya que los cortes de energía son eventos con múltiples escenarios. Suponiendo que la pregunta se refiere a una válvula reductora de presión (PRV) en una de las salidas de una línea principal que conecta la bomba con un depósito, podemos esperar que la PRV se abra cuando la presión disminuya debido a una onda negativa. En este caso, probablemente no cerrará lo suficientemente rápido para mantener P2 si se produce una onda positiva.

P: ¿Se puede utilizar la válvula de la serie 400 (cámara simple, tipo globo) para aplicaciones de reducción de presión? Si es así, ¿será más propensa a la cavitación en comparación con las válvulas tipo Y (series 100 y 700)?

A: La serie 400 puede utilizarse para aplicaciones de reducción de presión. De hecho, la mayoría de las aplicaciones de válvulas reductoras de presión metálicas en riego se realizan con la Serie IR-400 u otras válvulas de cámara simple. La Serie IR-400 no incluye un asiento elevado, lo que las hace menos resistentes al daño por cavitación que la Serie IR-100, ya que está fabricada en material compuesto, y que la Serie IR-700, que incorpora un asiento elevado de acero inoxidable. El diseño en Y también contribuye a una mejor resistencia a la cavitación y a un rendimiento de caudal aproximadamente un 25% superior en comparación con las válvulas tipo globo estándar.

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