Cuando estamos diseñando y calculando una red de bombeo para una instalación industrial, o bien cuando ya se encuentra una en operación y deseamos mantenerla, es importante tomar en cuenta la protección del sistema. Lo primero que deberíamos considerar, además de la protección eléctrica y de sus picos y caídas de tensión, es la protección hidráulica, o lo que es lo mismo, los dispositivos de instrumentación y control que garantizan la normal operación del flujo y la integridad estructural de la red.

   Al respecto, las válvulas son dispositivos mecánicos o electromecánicos que se utilizan para tal fin. De la gran familia existente de válvulas (que se agrupan, en general, en válvulas de corte, regulación y protección), las de alivio constituyen la primera y principal frente de protección ante los posibles daños estructurales de la red de tuberías. Como es sabido, uno de los peligros comunes ocurre cuando el sistema eléctrico falla —una caída de tensión es lo más frecuente— o cuando una bomba se detiene de forma abrupta. Esto ocasiona el golpe de ariete, el cual es un fenómeno transitorio que sucede en segundos. Por lo tanto, es menester atenuar esta onda de choque lo más rápido posible a través de válvulas de alta confiabilidad.

   Si el sistema no está protegido, las presiones alcanzadas por el golpe de ariete pueden fracturar el material de las tuberías. Y aún y cuando no se llegue a la fractura, la deformación plástica interna y las vibraciones ocasionadas por el golpe comprometerían de manera definitiva a la estación de bombeo. De aquí que los costos de simulación y protección del sistema son mucho menores a los altos costos de un daño permanente. Siendo las válvulas de alivio tan importantes, pues, también lo son su diseño, selección del modelo adecuado, facilidad de su instalación, mantenimiento y entrenamiento. Aún el operario con menos experiencia debe estar en capacidad de comprender la importancia de estas válvulas y de cómo gestionarlas durante escenarios específicos. De esto se desprende que los fabricantes de las válvulas y sus diferentes modelos juegan un papel clave en estas variables, así como lo es el papel de las empresas consultoras que deben considerar las válvulas más adecuadas para cada sistema de bombeo.

   Las válvulas de alivio podrían clasificarse en las que funcionan bajo acción directa y las que funcionan indirectamente a través de la activación de pilotos. Las primeras funcionan básicamente a través de la acción de un resorte. Su simpleza mecánica las hace ideales para pequeños sistemas de bombeo de bajos caudales, aunque por lo mismo no suelen ser de gran tamaño (mientras más grande el resorte de alivio más difícil es su diseño) y no son tan precisas. Las segundas, funcionan bajo la acción conjunta y sincronizada de dos pilotos: uno de baja presión (sostenedor de presión) y otro de alta presión (reductor de presión).  

   Con SolidWorks Flow Simulation pueden realizarse simulaciones adecuadas para validar el sistema de bombeo. El golpe de ariete puede simularse con un análisis transitorio, obteniendo como resultado el campo de presiones a lo largo de la tubería (que probablemente sea la tubería de derivación) e incluso el efecto que dichas presiones tendrían en toda la red. Si se desea conocer cuál sería el comportamiento estructural del sistema ante un fenómeno de este estilo, las presiones como resultado de la simulación de fluidos serían las entradas de una posterior simulación estructural con SolidWorks Simulation. Como resultado final, se obtendría el campo de esfuerzos en las tuberías afectadas, observando si ocurre un comportamiento elástico en las mismas o si, por el contrario, se deforman permanentemente.

   Para un fabricante de válvulas, una validación numérica sería de mucha utilidad antes de empezar la fabricación de las mismas. En las válvulas de alivio, por ejemplo, es importante calibrar que la apertura sea lo más rápida posible y que el cierre ocurra a una velocidad más lenta, justamente para evitar que la misma válvula sea la causante de otro transitorio. Esto podría simularse con un análisis paramétrico de la válvula a través de varias configuraciones geométricas del piloto reductor de presión, graduándolo para varios tipos de cierre.

   Otro factor importante es el tarado de la válvula, el cual viene definido por el fabricante y teóricamente por el diámetro óptimo de la tubería de derivación. Jugando en el modelo 3D con las condiciones de tarado, se varía el caudal que pasa a través de la válvula, y estos cambios de caudal pueden ser simulados perfectamente para tomar las decisiones de diseño pertinentes.

   En general, hay que considerar que las válvulas de alivio son en realidad un pequeño arreglo de filtros y válvulas en sí mismo (un ensamblaje, en términos CAD), ideado principalmente para atenuar el transitorio, pero también para ajustarse a condiciones de operación exigentes, fácil mantenimiento y fácil prueba de funcionamiento. En CADSO contamos con la tecnología y personal idóneos para asesorar a nuestros clientes en el diseño y simulación de estos dispositivos de alivio. Nuestra propuesta de valor incluye la venta, instalación, capacitación y asesoría para cualquier fabricante de válvulas y cualquier ingeniero de tuberías que desee calcular con mayor precisión sus redes y sistemas de bombeo. Es posible agendar una reunión gratuita con nosotros a través del enlace.

Salvador Suniaga / SolidWorks Product Manager en CADSO S.A

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