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Mecánica hidráulica de las válvulas de diafragma

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Sobre el blog

Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Autor del libro: "Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión". Nominado mejor Blog y Post premios iAgua 2018
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Las válvulas hidráulicas de diafragma funcionan gracias a la fuerza hidráulica que se genera sobre las cámaras como vimos en el anterior post: “válvulas hidráulicas de diafragma (aspectos básicos)”.

Para que esto ocurra se precisan de una serie de elementos que vamos a explicar con detalle en este artículo. Estos elementos son dispositivos mecánicos encargados de distribuir convenientemente la presión hidráulica hacia las cámaras de la válvula para conseguir el control que deseamos sobre el agua.

Pilotos

Se trata de una palabra muy acertada para definir estos elementos mecánicos que se instalan en el circuito de control de una válvula. Se componen de dos partes: un sensor con su mecanismo de ajuste y una válvula piloto sobre el que va montado el sensor. La válvula piloto puede ser de dos o de tres vías según el número de conexiones que tenga. El piloto de tres vías tiene una comunicación directa con la atmósfera, mientras que el piloto de dos vías no la tiene. Tanto uno como otro presentan ventajas e inconvenientes. Este asunto será tratado en otra entrada. En este post emplearemos válvulas piloto de tres vías para los ejemplos que se explican.

Los pilotos se utilizan para controlar determinados parámetros como la velocidad de apertura y cierre de válvulas, el control del caudal circulante, la regulación de la presión, el control del nivel de llenado de depósitos, la prevención de sobrepresiones en la red, etc.

En la imagen anterior podemos ver, a la izquierda, dónde se sitúa el piloto con sus conexiones al circuito hidráulico de control de la válvula. A la derecha observamos los principales elementos de que consta el piloto.

Funcionamiento de los pilotos

Veamos a continuación cómo funcionan estos mecanismos. Para ello me apoyaré en la siguiente imagen, que representa el corte longitudinal de un piloto reductor de presión.

Podemos observar en la parte superior el tornillo de regulación, debajo el muelle, a continuación el diafragma (letra D) y tres entradas o salidas para el agua que se conectan mediante latiguillos al circuito de control de la válvula: letras A, B y C. Se trata de un piloto de tres vías pues nos permite conectar a la cámara (C), a un punto de presión (B) y a la atmósfera (A).

En situación normal la válvula está completamente abierta y el sensor del piloto pone en comunicación mediante la válvula de tres vías el latiguillo C proveniente de la cámara con el latiguillo A que vacía a la atmósfera. Por tanto en la cámara de la válvula no hay presión y la válvula se encuentra completamente abierta. Lo podemos ver en la imagen siguiente.

Fijémonos un poco más: un latiguillo conecta en un punto de aguas abajo con el sensor del piloto –entrada D-. Aguas arriba hay otro punto de conexión que comunica presión al punto B, pero que en este caso no ejerce ninguna acción, ya que la fuerza del muelle del piloto es mayor que la presión que entra por B y por lo tanto mantiene en comunicación los puertos C y A, haciendo que se desaloje el agua de la cámara de la válvula y que ésta se posicione en modo abierto.

Al aumentar la presión de aguas abajo, llega presión al sensor a través del latiguillo D rompiéndose la situación de equilibrio. Para restablecer el equilibrio, se pone en comunicación los circuitos B con C, cerrándose parcialmente la válvula hasta que se alcance de nuevo la posición de equilibrio, es decir, hasta que se alcanza la consigna de presión prefijada.

Vemos en la figura anterior que el émbolo del piloto se ha desplazado permitiendo comunicar el latiguillo con presión B con la cámara de la válvula –C-. El desplazamiento del émbolo lo ha provocado la presión hidráulica que entra por el latiguillo proveniente de aguas debajo de la válvula en conexión con D (cámara del sensor), lo que ha provocado el desplazamiento hacia arriba del diafragma y el consiguiente desplazamiento del émbolo del piloto.

Una vez alcanzado el equilibrio en el sensor y restablecida por tanto la presión de aguas abajo, se cierra la comunicación entre B y C, ya que el émbolo baja debido a la acción de D y la cámara de la válvula permanece con una determinada presión. La válvula queda parcialmente cerrada, alcanzándose la presión de consigna. Lo vemos en la imagen siguiente:

Alcanzado el valor de presión que viene regulado en el piloto, no existe movimiento de agua en el circuito hidráulico de la válvula quedando ésta con una apertura determinada hasta que no varíen las condiciones de presión aguas abajo.

Si disminuyera la presión de aguas abajo (imaginemos que se ponen en funcionamiento más equipos) entonces el sensor del piloto lo detectaría, el émbolo bajaría y pondría en comunicación C con A lo que provocaría la apertura de la válvula hasta alcanzar de nuevo la consigna de presión establecida.

Por último si la presión de aguas abajo sube hasta alcanza un determinado valor –no existe consumo-, se produciría el cierre completo de la válvula.

El tornillo de regulación del piloto permite dotar al muelle de una mayor o menor fuerza lo que hace variar la presión de consigna, es decir, permite fijar la presión en la red que debe de haber aguas abajo de la válvula. Recordemos que para este ejemplo hemos utilizado un piloto reductor de presión, convirtiendo a la válvula en válvula reductora de presión. Esto significa que aguas abajo se mantendrá una presión constante –fijada por tanto en el piloto-, con independencia de la presión que tengamos aguas arriba en la red.

El piloto es el cerebro de la válvula. Su calidad y precisión son fundamentales para el buen funcionamiento de la misma    

Solenoides

Un solenoide es un dispositivo consistente en una bobina y un núcleo metálico móvil que utiliza la energía eléctrica para funcionar, ya sea corriente alterna (generalmente 24 o 48 V) o corriente continua (12 o 24 V). El solenoide se instala sobre una válvula piloto que a su vez se conecta al circuito de control de una válvula hidráulica.

En la imagen siguiente vemos, a la izquierda, un solenoide con el núcleo metálico o émbolo que actuará a su vez en la válvula piloto sobre la que va montando. A la derecha se muestra el conjunto bobina y válvula piloto. La válvula piloto se conecta al circuito hidráulico de control de la válvula de diafragma.

En la práctica se denomina solenoide al conjunto de bobina más válvula piloto –imagen anterior derecha-, de igual manera que se denomina piloto al conjunto formado por el sensor y por la válvula piloto sobre el que va montado el sensor y que ya hemos visto anteriormente.

El solenoide permite exclusivamente abrir y cerrar la válvula a distancia, desde un programador por ejemplo. No regula ni realiza ninguna otra operación de control 

En la imagen siguiente vemos el solenoide instalado en el circuito de control de una válvula hidráulica. El solenoide nos permitirá abrir o cerrar a distancia la válvula.

Si a la válvula anterior se le incorpora un piloto (supongamos reductor de presión), tendríamos entonces una válvula accionada a distancia para su apertura y cierre programados, y además reductora de presión gracias a la acción del piloto.

Existen válvulas, de pequeño tamaño generalmente, que incorporan en el cuerpo el alojamiento para el actuador del solenoide, es decir, el alojamiento para enroscar la bobina. Esta se instala en el cuerpo de la válvula que integra los circuitos hidráulicos para apertura y cierre de la misma cuando se activa el solenoide. En la imagen siguiente tenemos un ejemplo.

Hay dos tipos de solenoides: normalmente abierto (NO) y normalmente cerrado (NC).

El consumo de un solenoide de este tipo se sitúa, generalmente, entre 5 y 15 vatios y para su funcionamiento es necesario que la corriente esté actuando sobre el solenoide de manera continuada.

Con cada vez mayor frecuencia se emplean los solenoides llamados biestables o "latch", que no consumen electricidad en las posiciones de abierto o cerrado y sólo lo hacen en los cambios de posición mediante un pulso eléctrico muy breve con la ventaja del ahorro de baterías. Funcionan con corriente continua en un rango de 9 a 40 V y son indicados para utilizarlos en lugares donde no hay corriente eléctrica.

Vídeo

En el siguiente vídeo se muestra el funcionamiento de una válvula reductora de presión. Observa que ante la demanda variable de consumo, la válvula, gracias a la acción del piloto que previamente se ha regulado a una presión de consigna, mantiene aguas abajo la presión prefijada con independencia de los cambios de presión de aguas arriba.

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