Principios de flujo

Figura 1: Las propiedades del flujo cambian al fluir a través de una constricción

El flujo de fluidos en un sistema tiene muchas propiedades que varían en función de varios factores. Al diseñar un sistema y seleccionar las válvulas, es importante comprender y tener en cuenta estos factores para seleccionar una válvula óptima. Este artículo resume los diferentes principios de flujo implicados para ayudar a los lectores a entender cómo elegir la mejor válvula posible.

Vea nuestra selección de válvulas en línea!

Presión

La presión se define como la cantidad de fuerza que actúa por unidad de superficie:

p=F/A

donde:

p: presión en pascales (^N/m2)
F: fuerza en Newton (N)
A: superficie (^m2)

El pascal (Pa) es una unidad relativamente pequeña. Por ello, a menudo se utilizan en su lugar bar y psi. 1 bar = 105 Pa.

Al realizar cálculos de presión en el proceso de determinar el diseño correcto de la válvula a utilizar en un sistema, comprenda los diversos aspectos de la presión:

Presión absoluta frente a presión relativa: La presión absoluta utiliza el cero absoluto como punto de referencia. La presión relativa o manométrica utiliza la presión atmosférica como punto de referencia. Al seleccionar una válvula, el uso de la presión absoluta garantiza que se tenga en cuenta la presión atmosférica al determinar las presiones totales a las que se somete la válvula. Obtenga más información sobre los tipos de presión en nuestro artículo sobre los distintos tipos de presión.
Presión estática frente a presión dinámica: La presión estática es la presión ejercida por un líquido o un gas en reposo. La presión dinámica es la presión ejercida por un fluido en movimiento.
- Presión estática: Esta presión es resistida por la resistencia estructural de la válvula. Por lo tanto, al diseñar un sistema, hay que asegurarse de que las válvulas tengan suficiente resistencia e integridad para soportar la presión estática prevista.
- Presión dinámica: La presión dinámica depende de la velocidad y la densidad del fluido. El diseño de sistemas para manejar la presión dinámica es más complicado porque hay que tener en cuenta factores como el diámetro de las tuberías, el caudal, la viscosidad del fluido y la disposición del sistema.

Ecuaciones de presión estática y dinámica

Las siguientes son ecuaciones estándar que ayudan a hacerse una idea de las presiones estáticas y dinámicas de un sistema. Los sistemas reales de válvulas y tuberías pueden ser más complejos debido a la compresibilidad del fluido, las pérdidas por fricción, los cambios de elevación y la aceleración del flujo.

La ecuación de la presión estática es:

Dónde:

P: presión estática
⍴: densidad del fluido
g: aceleración debida a la gravedad
h: altura de la columna de fluido por encima del punto en cuestión

La ecuación de presión dinámica es:

Dónde:

q: presión dinámica
⍴: densidad del fluido
v: velocidad del fluido

Caída de presión

Al seleccionar una válvula para un sistema, tenga en cuenta la caída de presión a través de la válvula. La caída de presión de la válvula de control difiere entre las presiones aguas arriba y aguas abajo. La caída de presión afecta a un sistema de las siguientes maneras:

Eficiencia: Una caída de presión elevada a través de una válvula puede provocar ineficiencia energética, con el consiguiente aumento de los costes operativos.
Caudal: Una caída de presión elevada también puede provocar un caudal bajo, lo que altera el funcionamiento del sistema.
Control: La caída de presión a través de una válvula de control controla el caudal. La válvula de control de presión debe diseñarse para proporcionar el caudal deseado con la mínima caída de presión para ahorrar energía.

Lea nuestro artículo sobre la caída de presión para saber más sobre los factores que la provocan.

Relación entre presión y velocidad

La presión y la velocidad tienen una relación inversamente proporcional. Por lo tanto, ajustando la velocidad de flujo se ajusta simultáneamente la presión. Todas las válvulas ofrecen alguna restricción al flujo, desde casi insignificante(válvula de bola) a muy significativa(válvula de globo). Esta restricción suele consistir en una superficie reducida para el flujo, lo que aumenta su velocidad y reduce su presión.

El punto de mayor velocidad, y por tanto de menor presión, se denomina vena contracta (Figura 2).

El producto de la velocidad y el área aguas arriba de la constricción es igual al producto de la velocidad y el área aguas abajo de la constricción.

V₁ * A₁ = V₂ * A₂

Por lo tanto, la velocidad y la presión se pueden ajustar mediante el ajuste del tamaño de la constricción. En las válvulas de control, esto significa mover el mecanismo de cierre a un punto entre abierto y cerrado para modular el caudal.

Figura 2: El punto de mayor constricción de la velocidad es el de mayor velocidad y menor presión

Temperatura y caudal

La temperatura puede influir considerablemente en el caudal que pasa por una válvula. Por lo tanto, tenga en cuenta el intervalo de temperaturas de funcionamiento al diseñar un sistema y seleccionar una válvula. La temperatura puede afectar significativamente al caudal que pasa por una válvula de las siguientes maneras:

Expansión/contracción del material: Las válvulas tienen componentes de distintos materiales. Los cambios de temperatura pueden hacer que estos materiales se dilaten o contraigan. Cuando las altas temperaturas provocan una dilatación excesiva de las piezas de una válvula, pueden producirse fugas y reducirse su eficacia.
Cambios de viscosidad: La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a fluir. La viscosidad depende en gran medida de la temperatura. Al aumentar la temperatura, la viscosidad suele disminuir, lo que hace que fluya con más facilidad. A temperaturas más bajas, la viscosidad aumenta, reduciendo potencialmente la capacidad de la válvula para controlar el caudal. Conozca las válvulas diseñadas para alta viscosidad leyendo nuestro artículo sobre válvulas para fluidos de alta viscosidad.
Cambios de presión: El aumento de la temperatura puede aumentar la presión en una válvula, y el descenso de la temperatura puede disminuir la presión.
Rendimiento de la junta: Si la temperatura es inferior o superior a la temperatura nominal de la junta de la válvula, la junta puede degradarse o fallar, provocando fugas.

Coeficiente de caudal

El coeficiente de caudal, ya sea Cv o Kv, es una medida de la capacidad de la válvula para el flujo de fluidos. Kv expresa la cantidad de agua que puede pasar por una válvula en metros cúbicos por hora con una caída de presión de un bar. Cv expresa la cantidad de agua que puede pasar a través de la válvula en galones por minuto con una caída de presión de un psi. Un coeficiente de caudal más alto indica una mayor capacidad de caudal, lo que significa que puede pasar más fluido a través de la válvula con una caída de presión dada.

Además, una válvula con un mayor coeficiente de caudal tendrá una menor pérdida de carga. El coeficiente de caudal puede utilizarse para estimar la caída de presión a través de la válvula.

Coeficiente de caudal	Ecuación para estimar la pérdida de carga
Kv
Cv

Dónde:

ΔP: pérdida de carga en la válvula (bar, psi)
Q: Caudal a través de la válvula (^m3/h, gpm)
CE: peso específico del fluido

Obtenga más información sobre los distintos coeficientes de caudal y cómo calcular cada uno de ellos en nuestros artículos sobre la calculadora de kv y cv .

Flujo obstruido

El caudal estrangulado significa que la caída de presión a través de la válvula aumenta, pero el caudal no lo hace porque ha alcanzado un máximo. Esto suele ocurrir cuando la velocidad del fluido ha alcanzado la velocidad del sonido, lo que también se conoce como condición crítica de flujo. El estrangulamiento del flujo es una preocupación importante porque puede provocar daños en los equipos y ruidos más fuertes que los niveles de seguridad recomendados o exigidos.

Para evitar el estrangulamiento del flujo, tenga en cuenta lo siguiente al seleccionar una válvula:

Capacidad de caudal: Una válvula demasiado pequeña puede ahogarse rápidamente, limitando el caudal independientemente de la presión.
Caída de presión: Dado que el estrangulamiento de la válvula se produce cuando la presión aguas abajo desciende a un determinado nivel, asegúrese de que las válvulas están dimensionadas para las presiones máximas aguas arriba y aguas abajo que experimentarán durante su funcionamiento.
Tipo de fluido: Los gases y los líquidos se comportan de forma diferente cuando fluyen a través de una válvula. Sus propiedades específicas, como la temperatura, la presión y la relación de calor específico, influyen en el punto en el que se produce la asfixia.

Intermitencia y cavitación

El flujo estrangulado suele ser precursor de la intermitencia y la cavitación. Estos dos fenómenos se producen cuando la presión del sistema desciende por debajo de la presión de vapor del líquido, lo que provoca la formación de burbujas en el líquido. Cuando la presión vuelve a subir, las burbujas implosionan, creando ondas de choque que pueden dañar los componentes de la válvula. Al igual que el flujo estrangulado, la cavitación y el parpadeo son perjudiciales para los equipos y peligrosos para los operarios debido a que son muy ruidosos. Obtenga más información sobre los aspectos específicos de ambos leyendo nuestro artículo sobre cavitación y flashing. Nuestro artículo sobre la cavitación en bombas, válvulas y tuberías examina con más detalle cómo afecta a las válvulas.

Tipo de flujo

En un sistema pueden darse distintos tipos de flujo. Algunos de estos tipos de flujo pueden funcionar mejor en aplicaciones específicas que otros. Comprender esto es importante a la hora de seleccionar una válvula para realizar una función específica:

Laminar: El flujo laminar (Figura 3 izquierda) es un flujo de fluido en el que las partículas de fluido se mueven en capas paralelas con una mezcla mínima. El flujo laminar es adecuado para aplicaciones que requieren un flujo suave, como las aplicaciones de laboratorio. Las válvulas de globo tienen una excelente capacidad de estrangulación y control, lo que las hace idóneas para crear condiciones de flujo laminar.
Turbulento: El flujo turbulento (Figura 3 derecha) es opuesto al flujo laminar. Las partículas de fluido se mueven caóticamente con mezclas y remolinos. Suele producirse con caudales elevados y diámetros de tubería mayores. El flujo turbulento puede ser beneficioso en aplicaciones de mezclado. Las válvulas de mariposa funcionan bien en sistemas de flujo turbulento gracias a su diseño robusto y a su capacidad para soportar caudales elevados.

Figura 3: Flujo laminar (izquierda) y turbulento (derecha)

Transicional: El flujo de transición se produce entre el flujo laminar y el turbulento. Los operadores deben conocer este tipo de flujo para comprender que el flujo puede alternar entre laminar y turbulento. Las válvulas de compuerta funcionan bien en estas condiciones de caudal porque pueden manejar una amplia gama de condiciones de caudal y abrirse completamente para permitir caudales elevados.
Firme e inestable: En flujo estacionario, la velocidad del fluido no cambia con el tiempo, ya sea laminar o turbulento. En un flujo no permanente, la velocidad varía en un momento dado. Un caudal constante requiere una válvula que ofrezca un caudal constante, como las válvulas de bola. El flujo inestable requiere una válvula que pueda reaccionar rápidamente a los cambios en el sistema, como una electroválvula.
Compresible e incompresible: El flujo compresible afecta más a los gases que a los líquidos, mientras que el flujo incompresible suele considerarse para los líquidos. El flujo compresible necesita una válvula que pueda manejar los cambios de densidad y volumen, como la válvula de diafragma. El flujo incompresible necesita una válvula que pueda soportar altas presiones sin fugas, como las válvulas de compuerta.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se relacionan la presión y la velocidad del fluido?

La presión y la velocidad del fluido tienen una relación inversamente proporcional. Cuando uno sube en el sistema, el otro baja.

¿Qué es un coeficiente de caudal?

Un coeficiente de caudal (Cv o Kv) mide el caudal que pasa por una válvula a una temperatura determinada a 1 bar o 1 psi.

¿Cómo afecta la temperatura al caudal?

Los cambios de temperatura pueden modificar la viscosidad y la presión de un fluido. Además, la temperatura puede afectar negativamente al cuerpo de la válvula y a los materiales de la junta, degradando las condiciones de flujo.