ESTUDIO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE...

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ESTUDIO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UNA VÁLVULA DE

BOLA AL GENERAR VARIACIONES EN EL ÁNGULO DE APERTURA Y EN

EL CAUDAL DE FLUJO, MEDIANTE EL USO DEL SOFTWARE DE

INGENIERÍA ANSYS.

SANTIAGO DAZA SALINAS

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA EN MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2018

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ESTUDIO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE UNA VÁLVULA DE

BOLA AL GENERAR VARIACIONES EN EL ÁNGULO DE APERTURA Y EN

EL CAUDAL DE FLUJO, MEDIANTE EL USO DEL SOFTWARE DE

INGENIERÍA ANSYS.

SANTIAGO DAZA SALINAS

Trabajo de grado para optar por el título de Tecnólogo en Mecánica

Docente director

Yisselle Acuña Hereira, IM, MSc

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA EN MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2018

3

Nota de aceptación

Docente director

Jurado

Jurado

5

AGRADECIMIENTOS

En primera medida, agradezco a Dios por darme vida, salud, capacidades tanto

mentales como físicas y las herramientas necesarias para poder culminar este

proyecto en el que se ha aplicado mucha dedicación y se ha invertido el tiempo

adecuado para su realización.

A mis padres Mónica del pilar Salinas Rodríguez y Jerber Enrique Daza Prieto

que gracias a su esfuerzo y dedicación diarios desde el momento en que nací

han encontrado la manera de brindarme lo mejor en cada momento de mi vida,

llenándome de valores y principios que son los que me han forjado como persona

desde mis primeros pasos y durante todo este camino que estoy afrontando.

Siempre mis padres han sido un ejemplo que seguir para mi vida, ya que son

personas que ponen la ética por delante de todo, son personas amorosas,

honestas, responsables, respetuosas y emprendedoras que no paran de luchar

para que podamos cumplir todos nuestros sueños de la mano de Dios.

A mi hermana Mariana Daza Salinas por su apoyo, amor y motivación en

cualquier momento de mi vida por siempre confiar en mí y por siempre estar a

disposición en lo que esté a su alcance para la colaboración en cada una de mis

actividades de la vida.

A Leidy Meliza Díaz Cristancho que durante el tiempo que hemos estado juntos

siempre ha sido una fuente infinita de apoyo en todos los ámbitos de mi vida y

especialmente en este proyecto ha sido fundamental para su realización por toda

su colaboración y todo su amor, ayudándome a levantar en los momentos más

difíciles y apoyándome en los éxitos conseguidos y por conseguir.

agradezco a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por darme la

oportunidad de estar en su plantel educativo y permitirme formarme personal y

profesionalmente en su institución, también a cada uno de los docentes que a lo

largo de esta carrera me han brindado sus conocimientos, experiencias y

sabiduría en los diferentes campos de la mecánica y de la vida.

Finalmente agradezco a mi directora de proyecto la Ing. Yisselle Indira Acuña

Hereira por compartir sus capacidades y amplios conocimientos en este campo

de la mecánica conmigo, por brindarme su apoyo en cada momento para la

corrección del documento y por instruirme en el mejor camino para lograr

culminar de manera adecuada cada una de las etapas de este proyecto.

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TABLA DE CONTENIDO

ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................. 8

ÌNDICE DE TABLAS ...................................................................................................10

ÍNDICE DE ECUACIONES ..........................................................................................11

RESUMEN ...................................................................................................................12

1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................13

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................14

3. JUSTIFICACIÓN DE LA PROBLEMÁTICA .........................................................15

4. OBJETIVOS .........................................................................................................16

4.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................16

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .........................................................................16

5. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................17

6. MARCO TEORICO ...............................................................................................19

6.1 VÁLVULA DE BOLA .....................................................................................19

6.2 CARACTERISTICAS DE UNA VÁLVULA DE BOLA ....................................20

6.3 ASIENTO DE UNA VÁLVULA .......................................................................21

6.4 CAIDA DE PRESIÓN.....................................................................................22

6.5 COEFICIENTE DE FLUJO PARA VALVULAS (CV) ......................................22

6.6 DINÁMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS ..............................................26

6.6.1 LA HISTORIA DEL CFD..............................................................................27

6.6.2 LA MATEMÁTICA DEL CFD .................................................................27

6.6.3 USOS DEL CFD .....................................................................................28

6.6.4 METODOLOGÍA CFD ............................................................................28

6.6.4.1 Creación de la geometría: ................................................................30

6.6.4.2 Definición de la física del modelo ....................................................30

6.6.4.3 Resolución del problema CFD. ........................................................30

6.6.4.4 Visualización de los resultados en el post procesador. .................31

6.7 DESCRIPCIÓN GENERAL DE ANSYS CFX .................................................31

6.7.1 LA ESTRUCTURA DEL CFX .................................................................31

6.7.1.1 Pre-procesamiento en el CFX...........................................................32

6.7.1.2 Solver del CFX ...................................................................................32

6.7.1.3 Asistente de solver-CFX ...................................................................32

6.7.1.4 Post-procesamiento en CFX ............................................................33

6.8 ANÁLISIS DE FLUIDODINÁMICA COMPUTACIONAL PARA VÁLVULAS

MEDIANTE ANSYS .................................................................................................33

7. MODELAMIENTO ................................................................................................35

7.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA A SOLUCIONAR .................................35

7

7.2 ESPECIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN .........................................................35

7.3 METODOLOGÍA PARA EL MODELAMIENTO EN ANSYS ...........................38

7.3.1 CREACIÓN DEL DOMINIO DE FLUIDO O VOLUMEN DE CONTROL .39

7.3.2 MALLADO AL VOLUMEN DE CONTROL .............................................46

7.3.3 DEFINICIÓN DE PARAMETROS PARA LA SOLUCIÓN EN EL

SOFTWARE .........................................................................................................51

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS ................................................................................58

8.1 OBTENCIÓN DE RESULTADOS ..................................................................58

8.2 ANALISIS DE RESULTADOS .......................................................................63

8.2.1 ANALISIS DE LAS LINEAS DE FLUJO CON LA VARIACION DEL

ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2 m/s. ..........................................63

8.2.2 ANALISIS DEL PLANO DE PRESIÓN CON LA VARIACION DEL

ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2m/s. ...........................................67

8.2.3 CÁLCULO DE K PARA LOS ÁNGULOS TRABAJADOS CON

VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2m/s. ......................................................................75

8.2.4 GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA. .....................76

9. CONCLUSIONES .................................................................................................83

10. RECOMENDACIONES .....................................................................................84

11. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................85

8

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Conformación interna de una válvula de bola. .................................................... 19

Figura 2. Válvula de bola. ........................................................................................................ 20

Figura 3. Partes de una válvula de bola. (Imagen modificada).......................................... 21

Figura 4. Asiento de una Válvula de Bola ............................................................................. 22

Figura 5. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo versus Tamaño de la

válvula en pulgadas .................................................................................................................. 24

Figura 6. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo y de K según el porcentaje

de apertura de la válvula .......................................................................................................... 26

Figura 7. Ejemplo de modelo geométrico a parametrizar. .................................................. 28

Figura 8. Volumen de control. ................................................................................................. 29

Figura 9. Flujo en la parte interna del modelo geométrico. ................................................ 29

Figura 10: Estructura del CFX de ANSYS. ........................................................................... 32

Figura 11: Válvula de bola a analizar. .................................................................................... 36

Figura 12: Bola donde se evalúa el flujo. .............................................................................. 36

Figura 13: Geometría interna de flujo sobre la válvula. ...................................................... 36

Figura 14: Puntos de análisis del software. .......................................................................... 37

Figura 15: Entorno de Análisis de flujo de ANSYS. ............................................................. 39

Figura 16: Selección de tipo de movimiento rotación. ......................................................... 40

Figura 17: Selección de elemento a rotar. ............................................................................ 40

Figura 18: Selección de eje de rotación. ............................................................................... 41

Figura 19: Selección de rotación como parámetro. ............................................................. 41

Figura 20: Rotación del ángulo como un parámetro. .......................................................... 42

Figura 21: icono de variación de parámetros. ...................................................................... 42

Figura 22: Válvula de bola con apertura de 30º ................................................................... 43

Figura 23: Creación de superficies ......................................................................................... 43

Figura 24: Selección de área .................................................................................................. 44

Figura 25: Frontera creada ...................................................................................................... 44

Figura 26: Opción Fill ................................................................................................................ 45

Figura 27: Metodo de análisis por capas............................................................................... 45

Figura 28: Selección de cuerpos para generar el dominio del fluido ................................ 46

Figura 29: Dominio del fluido ................................................................................................... 46

Figura 30: Entorno de Mallado al dominio del fluido ........................................................... 47

Figura 31: Named selections ................................................................................................... 48

Figura 32: Entrada .................................................................................................................... 48

Figura 33: Salida ....................................................................................................................... 49

Figura 34: Pared ........................................................................................................................ 49

Figura 35: conformación de la malla ...................................................................................... 50

Figura 36: Mallado del dominio del fluido .............................................................................. 50

Figura 37: Entrada al entorno setup ....................................................................................... 51

9

Figura 38: Entorno setup .......................................................................................................... 52

Figura 39: Selección de flujo turbulento ................................................................................ 52

Figura 40: Selección de agua como fluido de estudio ......................................................... 53

Figura 41: Selección de agua para el estudio interno ......................................................... 54

Figura 42: Selección de velocidad a 3m/s............................................................................. 55

Figura 43: Selección de presión manométrica 0 Pa ............................................................ 55

Figura 44: Tipo de solución combinado ................................................................................. 56

Figura 45: Solución de tipo hibrida ......................................................................................... 56

Figura 46: comienzo del cálculo de la caída de presión ..................................................... 57

Figura 47: Entorno Solution ..................................................................................................... 58

Figura 48: Stream Line ............................................................................................................. 59

Figura 49: Creación de las líneas de flujo. ............................................................................ 59

Figura 50: Creación de plano de presión. ............................................................................. 60

Figura 51: Pantalla Expressions. ............................................................................................ 60

Figura 52: Nueva expresión. ................................................................................................... 61

Figura 53: función AreaAve. .................................................................................................... 62

Figura 54: Variable Presión ..................................................................................................... 62

Figura 55: Modelo para cálculo de caída de presión en el solver. .................................... 62

Figura 56: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con

velocidad de 1 m/s. ................................................................................................................... 64

Figura 57: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con

velocidad de 2 m/s. ................................................................................................................... 66

Figura 58: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º

con velocidad de 1 m/s. ............................................................................................................ 68

Figura 59: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º

con velocidad de 2 m/s. ............................................................................................................ 70

Figura 60 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 1 m/s. .................................................... 77

Figura 61 Grafica de Kv vs caudal a 1 m/s. .......................................................................... 77

Figura 62 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 2 m/s. .................................................... 78

Figura 63. Grafica de Kv vs caudal a 2 m/s. ......................................................................... 78

Figura 64. Relación entre Kv y en ángulo de apertura de una válvula de bola. .............. 79

Figura 65. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 1 m/s ............................ 80

Figura 66. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 2 m/s ............................ 81

Figura 67. Relación entre Kv y K en el caudal para 1 m/s.................................................. 81

Figura 68. Relación entre Kv y K en el caudal para 2 m/s.................................................. 82

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ÌNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Ángulos de apertura en ANSYS y su equivalencia de apertura en la válvula. 38

Tabla 2: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15° y 5°con

velocidad de 1 m/s. ................................................................................................................... 71

Tabla 3: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 1

m/s. .............................................................................................................................................. 72

Tabla 4: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15°y 5°con

velocidad de 2m/s. .................................................................................................................... 73

Tabla 5: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 2

m/s. .............................................................................................................................................. 74

Tabla 6: Valor de coeficiente K para 1 m/s. .......................................................................... 75

Tabla 7: Valor de coeficiente K para 2 m/s. .......................................................................... 76

11

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Calculo del Caudal mediante el coeficiente de flujo. ..................................... 22

Ecuación 2. Calculo del parámetro K ..................................................................................... 24

Ecuación 3. Relación entre CV y K ........................................................................................ 25

Ecuación 4. Relación entre KV y K......................................................................................... 25

Ecuación 5. Valor de K en términos de Kv ............................................................................ 26

Ecuación 6. Caudal ................................................................................................................... 71

Ecuación 7. Calculo de KV ...................................................................................................... 72

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RESUMEN

Dentro del área de la mecánica de fluidos, las válvulas son absolutamente necesarias

para la construcción de sistemas de flujo de fluidos, ya que son requeridas para el

desmontaje de tubería, regulación de caudal sobre el sistema y el mantenimiento a

bomba o turbina debido a que se impide el flujo para dicho procedimiento. A pesar de la

gran funcionalidad de este accesorio el uso de las válvulas genera pérdidas energéticas

sobre el fluido que circula por la tubería desde un punto A hasta un punto B, y por tanto

es conveniente estudiarlas para un diseño adecuado del sistema y para la aplicación de

la válvula en su mejor rendimiento.

En el presente proyecto se plantea el análisis de caída de presión debida a las perdidas

energéticas sobre una válvula de bola, para lo anterior se propone el uso de un software

de ingeniería llamado ANSYS, el cual cuenta con diferentes entornos hacia el análisis

mecánico tanto de solidos como fluidos por medio de la simulación computacional según

parámetros de entrada para la generación de un experimento acercado a la realidad que

sea capaz de comprobar la teoría al ser aplicada bajo condiciones no ideales.

Para la realización del análisis de la caída de presión sobre el accesorio se plantea

generar una simulación por medio del software ANSYS de las pérdidas que se generan

al variar el ángulo de apertura de la válvula o el caudal entrante a la misma, y de esta

manera realizar un video tutorial como registro audiovisual de lo realizado para que los

estudiantes se den una idea clara y concisa de lo realizado y la funcionalidad del

software de simulación para el ingeniero mecánico.

PALABRAS Y CONCEPTOS CLAVE

VÁLVULA DE BOLA, CFD, CFX, ANSYS, ANGULO DE APERTURA, CAUDAL DE

FLUJO, PERDIDAS ENERGETICAS

13

1. INTRODUCCIÓN

La mecánica de fluidos desde sus inicios siempre ha tenido como campo de acción las

perdidas energéticas que se dan durante el flujo de un fluido desde un punto A hasta un

punto B para una aplicación específica, ya sea llevar agua de un tanque a otro para surtir

de líquido a una comunidad, para un proceso de lubricación a una máquina, para un

circuito neumático en un proceso de automatización, entre otras aplicaciones en el área

de los fluidos.

Debido a lo anterior al pasar los años la tecnología se ha vuelto un campo que se ha

ligado totalmente a la industria para facilitar el estudio de los fenómenos que se abarcan

en la ingeniería, y la ingeniería mecánica no es menos. Por tanto se ha creado software

de ingeniería para la simulación de procesos mecánicos en el área de los fluidos, en el

área de los sólidos, en la automatización, en la manufactura, en el modelado, entre otros.

Dentro del área de líquidos y gases es posible encontrar el software ANSYS, el cual

cuenta con un área de estudio llamada fluidodinámica computacional (CFD) para la

simulación de gran cantidad de procesos que son relacionados con la mecánica de

fluidos; para el caso de este proyecto se trabajara el análisis de la caída de presión sobre

una válvula de bola al generar variaciones sobre el caudal entrante y al ángulo de

apertura de la misma, ya que las válvulas son los elementos más utilizados para la

construcción de los sistemas de flujo de fluidos porque estas son las que permiten la

regulación del caudal, el desmontaje de la estructura para ubicación de nuevos

repuestos o el desmontaje de las bombas.

Para la elaboración del proyecto en primera medida se realiza un investigación acerca

de las bases teóricas requeridas para el comienzo del trabajo, luego se realiza la

simulación según los parámetros establecidos luego de la indagación previa,

posteriormente se obtienen resultados de las simulaciones realizadas por medio de

ANSYS y se encuentran las variaciones que hay en la caída de presión según las

situaciones planteadas anteriormente. Por último se genera un registro audiovisual

(video-tutorial) para dar registro de las simulaciones practicadas.

Buscando el desarrollo óptimo del proyecto se plantea una metodología que se presta

para realizar una amplia investigación de la información necesaria para el estudio de la

caída de presión sobre la válvula de bola, y además los parámetros requeridos para una

simulación totalmente acercada a la realidad que de valores que puedan determinar el

rendimiento y mejor funcionamiento del accesorio en su aplicación.

14

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad es importante el manejo de herramientas tecnológicas (software) en la

ingeniería mecánica, ya que estos elementos digitales permiten la experimentación de

fenómenos de manera simulada, es decir, acercando la teoría con la realidad, por tanto

es fundamental iniciar la realización de proyectos basados en la simulación tecnológica

que puede ofrecer un software como ANSYS para que en el futuro sea posible la

aplicación en áreas como la mecánica de fluidos de simulación computacional para

añadir al estudiante, e incluso al docente nuevas capacidades a la hora de afrontar un

problema en el área de la ingeniería.

El proyecto planteado tiene como finalidad incentivar y dar una guía a los estudiantes

acerca del uso del software de ingeniería ANSYS en el área del CFD, para que el

software de ingeniería se vuelva una herramienta tecnológica que acerque al estudiante

a la realidad laboral por medio de los entornos de simulación que maneja, mostrando

que al variar distintas condiciones de operación es posible encontrar valores muy

diferentes así se esté empleando el mismo elemento, lo anterior para que funcione como

base teórica para que en la práctica real se evidencie el mejor rendimiento de una

maquina hidráulica o de cualquier accesorio que se encuentra en un sistema en el que

se transporta un fluido con una energía que va variando durante el camino hacia su

destino, e incluso que el estudiante adquiera ciertas bases para el diseño enfocado a la

mecánica de fluidos y las pérdidas generadas sobre los accesorios.

15

3. JUSTIFICACIÓN DE LA PROBLEMÁTICA

Dentro del entorno de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas el estudio de la

mecánica de fluidos por medio de una herramienta tecnológica de simulación es un área

de la investigación que es poco explorada por estudiantes y por docentes, por tanto la

finalidad de este proyecto es que el estudiante se interese por la profundización de esta

área de estudio y por tanto que este trabajo se vuelva una base teórica o antecedente

de estudio para posteriores proyectos que se desarrollen en torno a el CFD o a la

simulación por computador de fenómenos físicos relacionados con el área de los fluidos.

En conjunto con lo mencionado anteriormente el proyecto se propone como una guía

para el estudiante de la utilización de un software de ingeniería como ANSYS, lo anterior

debido al registro de video que muestra un paso a paso en el análisis de la caída de

presión sobre un elemento constituyente de un sistema de flujo de fluidos, y que de esa

manera se tenga una idea clara acerca de la aplicabilidad de la simulación en la vida

ingenieril.

.

16

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Estudiar la caída de presión a través de una válvula de bola al variar ángulo de apertura

y el caudal de flujo, mediante el entorno de fluidodinámica computacional que ofrece el

software ANSYS.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar los parámetros que necesita la simulación de acuerdo con las

características requeridas para el análisis.

Realizar simulaciones para distintos valores de caudal y de ángulo de

apertura.

Analizar los resultados obtenidos por medio de gráficas para determinar el

coeficiente de pérdidas que tiene la válvula en respuesta a los parámetros de

entrada puestos en la simulación.

Realizar un registro videográfico con fines académicos del modelo planteado

para observar los pasos a seguir al momento de simular por medio de

ANSYS.

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5. ESTADO DEL ARTE

Dentro de la indagación teórica se encuentran proyectos que están ligados a la temática

que se propone a tratar con el proyecto planteado, las cuales son un antecedente de

investigación para un desarrollo óptimo del proyecto.

En la tesis titulada “Estudio de la variación de la velocidad absoluta en la descarga de

un cangilón de una rueda Pelton, variando el ángulo de descarga por medio de

elementos finitos” realizada por los estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José

de Caldas Joan Sebastián Hernández Silva y Juan Felipe Rodríguez Reyna se expone

el análisis de velocidad de descarga de flujo en un cangilón de una turbina Pelton

variando el ángulo de descarga por medio del CFD de ANSYS.

El proyecto comienza con el desarrollo de la parametrización sobre un modelo de

cangilón que se realiza en el software Solid Edge para una posterior simulación en el

entorno de fluidodinámica computacional que ofrece ANSYS, lo anterior para realizar la

comparación de los datos teóricos con los obtenidos de forma experimental y demostrar

que el ejercicio de la simulación es exitoso, por tanto dan el visto bueno al uso del

software ANSYS dentro del estudio de la mecánica de fluidos, obviamente luego de

adquirir las bases necesarias para entrar en la compleja área de la dinámica de fluidos

computacional por medio de los métodos numéricos. [1]

En la tesis titulada “Estudio de los efectos generados por la variación del número de

álabes y el ángulo de descarga en un rodete cerrado de entrada radial” elaborada por

los estudiantes Carlos Alberto Herrera Cabra y Andrés Camilo Puerto Aranzales

pertenecientes a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se expone el estudio

del comportamiento de una bomba centrifuga al generar cambios en valores de ángulo

de salida y numero de alabes presentes en el rodete de la misma con la finalidad de

realizar graficas enfocadas a determinar el rendimiento de la máquina según los

parámetros de entrada de la simulación realizada por medio del entorno de CFD de

ANSYS y así comparar las gráficas de rendimiento estandarizadas teóricamente y las

que se obtienen mediante la herramienta tecnológica.

La finalidad el proyecto mencionado anteriormente es volver el CFD una herramienta de

apoyo en el área de estudio de la mecánica de fluidos ya que profundizar en este campo

es realmente beneficioso para el estudiante al momento de experimentar y realizar

comparaciones entre la teoría y la realidad en el campo de la ingeniería mecánica, es

decir, que este trabajo sea una nueva base teórica para la realización de proyectos

futuros en el área de estudio de los fluidos. [2]

En la tesis titulada “Estimación numérica de las pérdidas de carga del flujo en el interior

de válvulas” realizada por el estudiante Carlos Flores Alba perteneciente a la

Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) se muestra el análisis de las

pérdidas que se encuentran en el flujo de un fluido sobre las diferentes válvulas como

pueden llegar a ser las válvulas de globo, de bola, de mariposa y de compuerta mediante

el uso del CFD por un entorno llamado PHOENICS evidenciando de manera clara los

parámetros que se realizan para la simulación, la configuración de la geometría de la

18

válvula para el estudio por volúmenes finitos, los coeficientes obtenidos como resultados

mediante las simulaciones que se aplicaron y la comparación de los mismos según unas

condiciones iniciales para cada tipo de válvula, lo anterior para evidenciar el

comportamiento que tiene el flujo como la caída de la presión, la velocidad que se

maneja y la energía que lleva el fluido en circulación por cada tipo de válvula, lo anterior

para realizar una comparación entre los valores experimentales y los valores teóricos

para cada válvula y encontrar las semejanzas y las diferencias que se tiene al aplicar la

fórmula ideal y un método numérico real experimental, lo cual es importante para la

realización de este proyecto ya que se da otra opción de manejo del CFD en el área de

las válvulas y los fenómenos que ocurren en el interior de las mismas tal como se quiere

evidenciar con las variaciones a producir dentro de este documento para caracterizar las

condiciones de trabajo de la válvula de globo.[3]

En el proyecto de grado “Comparación de pérdidas de presión entre válvulas

comerciales de distinto material” realizado por Gianni Smiley Monterroso López,

perteneciente a la Universidad de San Carlos de Guatemala se hace una descripción de

las válvulas comercialmente disponibles en Guatemala, demás se señalan cuáles son el

tipo de válvulas más utilizadas por la disponibilidad comercial, ya que se pueden obtener

fácilmente en diferentes lugares y son económicas.

En siguiente medida se hace referencia a la presión máxima de trabajo que tiene cada

válvula, a la temperatura de trabajo, a las perdidas energéticas se generan sobre las

válvulas según las ecuaciones teóricas, se emplean las características ya mencionadas

para observar el comportamiento de una válvula según su material, y por último se

evidencian los resultados y comparaciones que se realizan según el material del cual se

conforma cada válvula. La importancia de ese trabajo en el proyecto a realizar es que

se plantea una base teórica a comparar con el CFD que se planteará y además se

plantean características de materiales de conformación de las válvulas que puede ser

un dato importante según los parámetros iniciales a ubicar para realizar la simulación.

[4]

En la tesis “Caracterización y modelización numérica del comportamiento de una válvula

de esfera mediante CFD con validación experimental” elaborado por Daniel Andrés Reig

de la Universidad Politécnica de Valencia se expone un análisis experimental sobre una

válvula de esfera analizando su comportamiento para ciertas condiciones de

funcionamiento. Se modelo geométricamente y numéricamente la válvula mediante la

técnica de dinámica de fluidos computacional (CFD) y posteriormente se corrobora el

modelo encontrado gracias a los resultados obtenidos en la fase experimental,

caracterizando la válvula en función de su ángulo de apertura y con variaciones en

diámetros de válvula. Lo cual es una base teórica fundamental para el trabajo a realizar

ya que se plantea el uso del CFD para el análisis de una válvula de bola y su

comportamiento para dar una caracterización a la misma. [5]

19

6. MARCO TEORICO

6.1 VÁLVULA DE BOLA

La válvula de bola es un macho de forma esférica que controla la circulación del líquido.

Este tipo de válvula es muy versátil para el manejo de fluidos y por tanto es una de las

válvulas más usadas dentro de la industria debido a que su manejo es muy sencillo

debido a que su cierre rápido de ¼ de vuelta y a que su tamaño es menor al de una

válvula de compuerta.

Las aplicaciones más frecuentes de la válvula de bola son las de apertura o cierre total.

No es recomendable usarlas parcialmente abiertas ya que, si se mantiene parcialmente

abierta, el fluido y la presión que este ejerce desgastaran partes de la válvula y en el

futuro se generaran fugas indeseables en el interior.

Las válvulas de bola, esfera o de cierre rápido, como son conocidas, dejan pasar el flujo

de manera completa, es decir, mantienen un paso estándar de fluido. Entre las

desventajas que existen con estas válvulas es la caída de presión que producen con

este paso estándar o reducido además de que su cierre rápido genera “golpes de ariete”

dentro de las líneas por lo cual hay que tomar las precauciones debidas antes de su

instalación.

Esta válvula está limitada por factores como la resistencia a temperatura y presión del

material del asiento, metálico o plástico.

Este tipo de válvula es usado en fluidos como vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos

corrosivos, pastas aguadas, además de ser empleado en materiales pulverizados secos.

[6] [7]

Figura 1. Conformación interna de una válvula de bola.

Tomado de

“https://sites.google.com/site/valvulasindustrialesiso9001/_/rsrc/1444608714896/home/valvula-

bola/Valvula%20bola.jpg?height=320&width=320”. Consultado el 2 de marzo de 2018.

20

Figura 2. Válvula de bola.

Tomado de “https://encrypted-

tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQAEdUcOZkm12hoPNjR2IPsafEEIEkt0wV-

rZxL1a7yhUFW17JV”. Consultado el 2 de marzo de 2018.

6.2 CARACTERISTICAS DE UNA VÁLVULA DE BOLA

1. Cero fugas

2. Vástago protegido: El collar de empuje del vástago previene que cualquier fuerza

anormal externa pueda empujar al vástago contra la bola. Este distintivo ayuda a que el

vástago no desplace la bola de su asiento y ocurra una fuga.

3. Vástago a prueba de explosión: El diseño utiliza collares grandes divisorios alrededor

de la base del vástago creando un diámetro mayor que el vástago y a su vez se localiza

dentro de la hendidura del cuerpo. Esto asegura que el vástago se mantenga en su lugar

en todo momento dentro del cuerpo, a diferencia de los pivotes que otros usan y que

cortan dejando que el vástago reviente fuera del cuerpo de la válvula.

4. Diseño fiable de prensaestopas: Diseño fiable del prensaestopas y el uso de resortes

Belleville provee larga duración, libre de mantenimiento, junta de la empaquetadura y

ajustado.

5. Funcionamiento de un cuarto de vuelta: Reduce el desgaste del vástago y de su

empaquetadura que se asocia con válvulas de recorrido lineal como la de compuerta y

globo, y otras de vástago ascendente. Ya que la acción es por rotación en lugar de lineal,

el vástago no se jala ni empuja a través de la empaquetadura y elimina la posibilidad

que sólidos sean arrastrados dentro del prensaestopas y dañe el empaquetado. Esta

función añade vida al vástago y empaquetado de la válvula de bola.

La rápida acción de cerrar totalmente con el cuarto de vuelta de cero fugas, hace a esta

válvula la elección ideal para cierres de emergencia y aplicaciones.

21

6. Recubrimiento de la aplicación con HVOF: La bola y el asiento son impregnados con

cromo y carburo de tungsteno con las técnicas de revestimiento de HVOF, con dureza

de superficie de Rc 68-72, y son acompañados con alto acabado de lapeado RMS (5

micro pulgadas RMS) asegurando cero fugas, y libre de mantenimiento.

7. Resorte Belleville: El resorte Belleville tiene constante fuerza para cargar la bola en el

asiento de sellado posterior, haciendo que se logre cero fugas en aplicaciones de alta y

baja presión.

8. Casquillo guía del resorte Belleville: En caso de instalación incorrecta o de flujo

inverso, el diseño evita que la bola y el asiento contra corriente se revienten. [8]

Figura 3. Partes de una válvula de bola. (Imagen modificada)

Tomado de “https://sites.google.com/site/valvulasindustrialesiso9001/home/valvula-bola”.

Consultado el 7 de marzo de 2018.

6.3 ASIENTO DE UNA VÁLVULA

Son las piezas circulares presentes en la tapa de cilindro sobre la que hace contacto la

válvula. Su función consiste en reducir el impacto y desgaste que provocaría el accionar

22

de la válvula sobre la tapa de cilindros (culata). Ante un desgaste estos asientos deben

ser reemplazados por otros nuevos. [9]

Figura 4. Asiento de una Válvula de Bola

Tomado de “http://www.repuestosintermotor.com/asientos-de-válvulas/”. Consultado el 2 de

marzo de 2018.

6.4 CAIDA DE PRESIÓN

La caída de presión se entiende como la disminución de la presión de un circuito debida

a una pérdida energética que se da por el paso del fluido en un accesorio o por la longitud

de la tubería por donde circula el fluido, por las condiciones que maneja el accesorio por

donde se fluye y demás factores que maneja un sistema de transporte de líquido o fluido.

[10]

6.5 COEFICIENTE DE FLUJO PARA VALVULAS (CV)

Un número importante de fabricantes de válvulas utilizadas para el control de líquidos,

aire y otros gases, prefieren calificar el rendimiento de su producto por medio del

coeficiente de flujo CV. Una base para este coeficiente de flujo es que una válvula con

coeficiente de 1.0 permitirá el paso de 1.0 gal/min de agua, con una caída de presión de

1.0 psi a través de ella. Es conveniente aplicar esta prueba, ya que proporciona un medio

confiable para comparar las características de rendimiento conjunto de diferentes

válvulas.

La ecuación básica de flujo del líquido es

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 (𝑄) = 𝐾 ∗ √(𝛿𝑝

𝑠𝑔)

Ecuación 1. Calculo del Caudal mediante el coeficiente de flujo.

Donde δp es la caída de presión y se calcula con Pf – Pi, ya que es la diferencia entre

las presiones entre un punto antes y uno después del paso sobre la válvula y sg es la

gravedad especifica del fluido. [10]

Conocer el coeficiente de caudal es fundamental a la hora de la selección de una válvula

que se necesita en una específica aplicación. Si la válvula va a estar la mayor parte del

tiempo abierta, posiblemente interesará elegir una válvula con poca pérdida de carga

23

para evitar pérdidas y tener un ahorro energético. O si se trata de una válvula de control,

el rango de coeficientes de caudal en las diferentes posiciones de obertura tendría de

permitir cumplir las necesidades de regulación de la aplicación.

En igualdad de flujo, contra mayor es el coeficiente de caudal, las pérdidas de carga a

través de la válvula son menores.

La industria de las válvulas ha estandarizado el coeficiente de caudal (K). Este se

referencia para agua a una determinada temperatura, y unidades de caudal y diferencia

de presión también específicas. Un mismo modelo de válvula tiene un coeficiente de

caudal (K) distinto para cada diámetro.

Este coeficiente K puede tener dos nombres según las unidades que se manejen en el

cálculo del mismo, los nombres que puede recibir el coeficiente de caudal son Kv y Cv,

así:

Kv es el coeficiente de caudal en unidades métricas. Se define como el caudal

en metros cúbicos por hora [m3/h] de agua a una temperatura de 16° celsius con

una caída de presión a través de la válvula de 1 bar.

Cv es el coeficiente de caudal en unidades imperiales. Se define como el caudal

en galones US por minuto [gpm] de agua a la temperatura de 60° fahrenheit con

una caída de presión a través de la válvula de 1 psi.

Kv = 0.865 · Cv

Cv = 1,156 · Kv.

En válvulas de descarga del fluido a la atmósfera, se utiliza el coeficiente adimensional

Coeficiente de Descarga (C). Donde El coeficiente de descarga es un factor

adimensional característico de la válvula, que permite calcular el caudal (Q) con el que

desembalsa una válvula en función del nivel del fluido en el embalse o reserva (Δh). [11],

pero en este caso como se analizara la valvula justo a su entrada y justo a su salida este

coeficiente C no se tiene en cuenta en el estudio a realizar en este proyecto.

24

Figura 5. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo versus Tamaño de la válvula en pulgadas

Tomado de “http://www.valvias.com/coeficiente-de-caudal.php”. Consultado el 7 de marzo de

2018.

Es muy importante distinguir el Kv cuyas unidades son: 𝑚3

ℎ∗ 𝑏𝑎𝑟 del parámetro

adimensional K de pérdida de cargas singulares que aparece la bibliografía relacionada

con mecánica de fluidos.

El parámetro K es un parámetro adimensional que relaciona la pérdida de carga en

metros de columna de agua en un equipo con la velocidad del fluido de acuerdo la

siguiente ecuación:

Ecuación 2. Calculo del parámetro K

Donde:

H es la pérdida de carga en metros de columna de agua

V es la velocidad del fluido en m/s

g es la aceleración de la gravedad en m/s2

Esta expresión relaciona la pérdida de carga de cualquier fluido al pasar por un elemento

en función de la velocidad del mismo.

Si aplicamos la definición de Cv a la expresión anterior siendo cuidadosos con las unidades obtendremos una expresión que nos relaciona la constante adimensional de pérdidas de carga K con el Cv

En primer lugar calculamos a cuantos metros de columna de agua a 60 F equivale 1 psi:

1 psi equivale 0.703 metros de columna de agua de densidad 1000 kg/m3 y la densidad del agua a 60F es 62.364 lb/pie3 = 998.975 kg/m3 por lo tanto 1 psi es:

A continuación, teniendo en cuenta que la velocidad de un fluido es el caudal dividido

por el área y que el área de la válvula es . (D es el diámetro de la válvula en

25

metros) sustituimos en la expresión:

Utilizamos el diámetro en pulgadas (1 metro son 39.37 in) y los convertimos el caudal

de m3/s a gpm (1 m3/s son 15850.3 gpm)

Despejamos

Entonces

[12].

Finalmente obtenemos:

Ecuación 3. Relación entre CV y K

Por tanto, Kv es igual a:

1,156 𝐾𝑣 = (29.84) ∗d2

√K

Ecuación 4. Relación entre KV y K

26

Y el valor de K estaría dado por:

𝐾 = 29.842 ∗𝑑4

1,1562𝐾𝑣2

Ecuación 5. Valor de K en términos de Kv

Con el diámetro d dado en pulgadas.

Figura 6. Grafica de comportamiento de coeficiente de flujo y de K según el porcentaje de apertura de la válvula

Tomado de “http://instintologico.com/valvulas-de-control-que-es-el-cv-de-una-valvula/”.


6.6 DINÁMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS

La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es una de las áreas de investigación

activa y altamente exigente, y en la que las computadoras con la aplicación de métodos

numéricos se usan para resolver problemas que involucran flujos de fluidos. Con los

avances recientes en el campo de los CFD, los métodos numéricos ahora son capaces

de resolver física de flujos complejos y se pueden combinar con análisis estructurales y

otros. El análisis de CFD se usa ampliamente en muchas industrias, por ejemplo, en la

industria aeroespacial, automovilística, petrolera y de gas, energía, electrónica, salud, y

ahora se ha convertido en una herramienta esencial para establecer parámetros. El CFD

también se puede usar para comprender la física del flujo a escalas completas en

condiciones de funcionamiento realistas, donde los experimentos no son factibles o muy

27

costosos. El análisis de CFD es una alternativa o complemento rentable para los

experimentos. Dado que varias ecuaciones con millones de incógnitas necesitan

resolverse de forma iterativa, el análisis de CFD requiere una enorme potencia de

cómputo e implementaciones paralelas eficientes de los algoritmos numéricos. Los

recientes desarrollos en hardware de computadora e implementaciones paralelas han

reducido el tiempo computacional en el análisis de CFD. Sin embargo, la escalabilidad

de los códigos CFD sigue siendo muy desafiante en muchas aplicaciones a gran escala,

y los cálculos tardan varios días en simular unos segundos de física en tiempo real. [13]

6.6.1 LA HISTORIA DEL CFD

Los computadores han sido usados para resolver problemas de flujo de fluidos por

muchos años. Numerosos programas han sido diseñados para resolver problemas

específicos, o específicas clases de problemas. Desde mediados de los 70s, las

matemáticas complejas requeridas para generalizar los algoritmos empezaron a

entenderse, y el propósito general de los solver CFD fue desarrollado. Estos empezaron

a aparecer a inicios de los 80s y requirieron en ese entonces computadores muy

poderosos, así como un profundo conocimiento en flujo de fluidos, y grandes cantidades

de tiempo para correr simulaciones. Consecuentemente, CFD fue una herramienta

usada casi exclusivamente en investigación.

Recientes avances en la potencia de computación, conjunto con potentes gráficas y la

manipulación 3d interactiva de modelos, han hecho el proceso de crear un modelo CFD

y el análisis de resultados una labor menos intensiva, reduciendo tiempo y, por lo tanto,

costos. Solver avanzados contiene algoritmos que permiten soluciones robustas en el

campo de flujo en un tiempo razonable.

Como resultado de estos factores, la mecánica de fluidos computacional (Computational

Fluid Dynamics) CFD, es ahora una herramienta de diseño industrial establecida,

ayudando a reducir el tiempo de diseño y mejorar los procesos en el mundo de la

ingeniería. CFD provee una alternativa rentable y precisa a la prueba de modelos a

escala, con variaciones en la simulación que se realiza de forma rápida, ofreciendo

ventajas evidentes.

6.6.2 LA MATEMÁTICA DEL CFD

Las ecuaciones utilizadas para resolver los problemas relacionados con el flujo de fluidos

son las ecuaciones de Navier-Stokes, las cuales son ecuaciones diferenciales parciales

que pueden ser discretizadas y resueltas numéricamente.

Hay un número de métodos diferentes de solución que son usados en los códigos CFD.

El más común, y en el cual el CFX se basa, es conocido como la técnica de los

volúmenes finitos.

En esta técnica, la región de interés está dividida en pequeñas sub regiones, llamada

volúmenes de control. Las ecuaciones son simplificadas y resueltas iterativamente para

cada volumen de control. Como resultado, unas aproximaciones del valor de cada

variable pueden obtenerse en puntos específicos a través del dominio. De esta forma,

se obtiene una imagen del comportamiento del fluido.

28

6.6.3 USOS DEL CFD

CFD es usado por ingenieros y científicos en un gran rango de campos. Aplicaciones

típicas incluyen:

Industria de procesos: Recipientes de mezclas, reactores químicos.

Industria de construcción: Ventilación de edificios.

Seguridad y salud: Investigación del efecto del fuego y el humo.

Industria automotriz: Modelado de combustión, aerodinámica automotriz.

Electrónica: Transferencia de calor dentro y alrededor de tableros electrónicos.

Medioambiental: Dispersión de polución en el aire o en el agua.

Potencia y energía: Optimización de procesos de combustión.

Medicina: Flujo de sangre a través de vasos sanguíneos injertados.

6.6.4 METODOLOGÍA CFD

CFD puede ser utilizado para determinar la eficiencia de un componente en la etapa de

diseño, o puede ser utilizado para analizar dificultades con un componente existente y

conducir a su diseño mejorado.

Por ejemplo, la caída de presión a través de un componente puede ser considerada

excesiva:

Figura 7. Ejemplo de modelo geométrico a parametrizar.

Tomado de Ansys CFX user guide. Consultado el 2 de marzo de 2018.

El primer paso es identificar la región de interés:

29

Figura 8. Volumen de control.

Tomado de Ansys CFX user guide. Consultado el 2 de marzo de 2018.

La geometría de la región de interés es definida entonces. Si la geometría actualmente

existe en CAD, esta puede ser importada directamente. La malla es creada. Después,

se importa la malla en el post procesador, otros elementos de la simulación incluyendo

las condiciones de frontera (entradas, salidas, y demás) y las propiedades del fluido son

definidas.

El solver de fluidos es ejecutado para producir un archivo de resultados que contiene la

variación de velocidad, presión y cualquier otra variable a través de la región de interés.

Los resultados pueden ser visualizados y pueden proveer al ingeniero un entendimiento

del comportamiento de este flujo a través de la región de interés.

Figura 9. Flujo en la parte interna del modelo geométrico.

Tomado de Ansys CFX user guide. Consultado el 2 de marzo de 2018

Esto puede conducir a modificaciones de diseño que pueden ser analizadas cambiando

la geometría del modelo CFD y viendo el efecto.

30

El procedimiento para realizar una simple simulación CFD se divide en cuatro

componentes:

1. Creación de la geometría.

2. Definir la física del modelo.

3. Resolver el problema CFD.

4. Visualizar los resultados en el post procesador.

6.6.4.1 Creación de la geometría:

Este proceso interactivo es la primera etapa de pre procesado. El objetivo es de producir

una malla para introducirla al pre procesador de física. Antes que una malla sea creada,

se requiere de una geometría sólida cerrada. La geometría y la malla puede ser creada

en la aplicación de mallado o por cualquier herramienta de creación de geometría/malla.

Los pasos básicos incluyen:

1. Definir la geometría de la región de interés.

2. Crear regiones de flujo de fluidos, regiones sólidas y los nombres del contorno

en la superficie.

3. Ajustar las propiedades para la malla.

Esta etapa de pre procesamiento es altamente automatizada. En CFX, la geometría

puede ser importada por la mayoría de los paquetes de CAD usando un formato nativo,

y la malla del volumen de control es generada automáticamente.

6.6.4.2 Definición de la física del modelo.

Este proceso interactivo es la segunda etapa de pre procesado y es usada para crear la

entrada requerida por el solver. Los archivos de malla son cargados en el preprocesador

de física, CFX-pre.

Los modelos físicos que están para ser incluidos en la simulación son seleccionados.

Propiedades del fluido y condiciones de frontera son especificadas.

6.6.4.3 Resolución del problema CFD.

El componente que resuelve el problema CFD se llama el solver. Este produce los

resultados requeridos en un proceso no interactivo. Un problema CFD es resuelto de la

siguiente forma:

1. Las ecuaciones diferenciales parciales son integradas sobre todos los volúmenes

de control en la región de interés. Esto es equivalente a aplicar la ley básica de

conservación (por ejemplo, para masa o momentum) a cada volumen de control.

2. Estas ecuaciones integrales se convierten a un sistema de ecuaciones

algebraicas generando un número de aproximaciones en términos de las

ecuaciones integrales.

3. Las ecuaciones algebraicas son resueltas iterativamente.

Un uso iterativo es requerido debido a la naturaleza no lineal de las ecuaciones, y la

solución aprovecha la misma solución exacta, es decir a converger. Para cada iteración,

31

un error, o residuo, es reportado como una medida de la conservación general de las

propiedades del flujo.

Que tan cercana es la solución final de la solución exacta depende de un número de

factores, incluyendo el tamaño y la forma de los volúmenes de control y el tamaño de

los residuos finales. Procesos físicos complejos, como la combustión y la

turbulencia, a menudo son modelados usando relaciones empíricas. Las

aproximaciones inherentes en estos modelos contribuyen a diferenciar entre la solución

CFD y el flujo real.

El proceso de solución no requiere de la interacción del usuario y es, por lo tanto, llevado

a cabo usualmente como un proceso por lotes. El solver produce un archivo de

resultados que es transmitido al post procesador.

6.6.4.4 Visualización de los resultados en el post procesador.

El post procesador es el componente utilizado para analizar, visualizar y presentar los

resultados interactivamente. El post procesado incluye todo desde obtener valores de

puntos como complejas secuencias de animación.

Ejemplos de algunas características de los post procesadores son:

Visualización de la geometría y los volúmenes de control.

Graficas de vectores mostrando la dirección y la magnitud del flujo.

Visualización de la variación de las variables escalares (variables que tienen solo

magnitud, no dirección, como temperatura, presión y velocidad) a través del

dominio.

Cálculos numéricos cuantitativos.

Animación.

Gráficos mostrando representaciones gráficas de variables.

Impresión y puesta en línea. [14]

6.7 DESCRIPCIÓN GENERAL DE ANSYS CFX

ANSYS CFX es un paquete de software de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)

de propósito general que combina solucionador avanzado con potentes capacidades de

procesamiento previo y posterior.

6.7.1 LA ESTRUCTURA DEL CFX

ANSYS CFX consta de módulos de software que toman una geometría y malla, las

cuales generan la información necesaria para realizar un análisis de CFD, los módulos

se presentan así:

32

Figura 10: Estructura del CFX de ANSYS.

Tomada de CFX introduction guide. Consultado el 1 de abril de 2018

6.7.1.1 Pre-procesamiento en el CFX

El pre-procesador de física de próxima generación, CFX-Pre, se usa para definir

simulaciones, además es posible importar múltiples mallas, lo que permite que cada

sección de geometrías complejas use el mallado más adecuado.

Los análisis, que consisten en la física del flujo, las condiciones de contorno, los valores

iniciales y los parámetros del solucionador, son también especificados al momento de

comenzar el proceso de simulación.

6.7.1.2 Solver del CFX

CFX-Solver resuelve todas las variables de solución para la simulación y la

especificación del problema generado en el pre-procesamiento de CFX.

Una de las características más importantes de ANSYS CFX es el uso de un solucionador

acoplado, en el que todas las ecuaciones de la hidrodinámica se resuelven como un solo

sistema. El solucionador acoplado es más rápido que el segregado tradicional, ya

que se requiere solamente un solucionador conjunto y menos iteraciones para

obtener una solución de flujo convergente.

6.7.1.3 Asistente de solver-CFX

El módulo CFX-Solver Manager proporciona un mayor control para la gestión de la tarea

CFD. Sus funciones principales son:

• Especificar los parámetros de entrada al CFX-Solver.

• Iniciar o detener el CFX-Solver.

33

• Monitorear el progreso de la solución.

• Configurar el CFX-Solver para un cálculo unificado como un solo sistema.

6.7.1.4 Post-procesamiento en CFX

CFD-Post ofrece herramientas gráficas interactivas de post-procesamiento para analizar

y presentar resultados de la simulación ANSYS CFX.

Las características importantes incluyen:

Post-procesamiento cuantitativo.

Generación de informes.

Línea de comando.

Archivo de sesión o entrada de archivo de estado • Variables definidas por el

usuario.

Generación de una variedad de objetos gráficos donde se muestran

características como visibilidad, transparencia, color y representación de línea /

cara. [15]

6.8 ANÁLISIS DE FLUIDODINÁMICA COMPUTACIONAL PARA

VÁLVULAS MEDIANTE ANSYS

Debido a que el software a utilizar para el estudio sobre la válvula de bola es ANSYS se

presentan los parámetros y el procedimiento a realizar al momento de hacer un análisis

sobre el flujo dentro de una válvula.

El ejemplo por tomar en cuenta es el análisis de flujo a una válvula de bola en V que se

encuentra en la página web de soporte técnico sobre el software ANSYS, y por tanto se

presentan los pasos a seguir para realizar el análisis de sobre dicha válvula.

IDENTIFICAR EL PROBLEMA: Es posible imaginar que para fines industriales

controlar el caudal puede ser crucial para procesos químicos. Tener una relación

lineal entre el ángulo de apertura y coeficiente de flujo de una válvula es

particularmente deseable ya que esto puede conducir a soluciones de control

menos costosas. Las válvulas de bola V-Port se pueden optimizar aún más a

través de cambios en la geometría o a través de dispositivos anti-cavitación.

DETERMINAR EL PROBLEMA: La válvula V-Port debe ser observada en su

parte interna para determinar si es posible modelar la solución a la problemática

planteada, para proceder a determinar un procedimiento apto para resolver

debido a la geometría de la válvula.

DETERMINAR LA SOLUCIÓN: Usando el software de ingeniería ANSYS:

La geometría de preocupación será modelada.

Luego se realizará un análisis dinámico de fluidos.

Entonces se obtendrán ciertos parámetros de dicho análisis que indicarán si

el diseño de la válvula es viable para un mayor desarrollo.

RECORRIDO DE ESTUDIO: Procedimiento general:

34

1. Obtener / Crear Geometría y Generar Malla 2. Elegir el modelo apropiado de dinámica de fluidos 3. Establecer la condición de frontera y ejecutar la simulación 4. Evaluar resultados

35

7. MODELAMIENTO

Para realizar un estudio de fluidodinámica computacional de manera eficiente,

cumpliendo con los parámetros estipulados por el software ANSYS es requerido

completar cada uno de los pasos ubicados en el apartado 6.9 “Análisis de fluidodinámica

computacional para válvulas mediante ANSYS”, por tanto en el presente documento se

ofrece el procedimiento a seguir con la finalidad de ejecutar de manera adecuada el

proceso de simulación para la obtención de datos veraces, y por tanto resultados de

calidad, debido a lo anterior el paso a paso se presenta así:

7.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA A SOLUCIONAR

El problema planteado a solucionar es el análisis de la caída de presión sobre una

válvula de bola al variar los ángulos de apertura iniciando desde 5°, luego 15°, 30° hasta

45° mediante el software de ingeniería ANSYS, lo anterior con la finalidad de obtener

datos de variación de presión, y luego con las fórmulas que se tienen como base teórica

realizar el cálculo del CV (Coeficiente de flujo), y de esta manera identificar el mejor

punto de rendimiento para este tipo de accesorio.

7.2 ESPECIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN

Por medio del software de ingeniería ANSYS se plantea tanto la geometría a utilizar,

como los parámetros de entrada que se requieren para el cálculo acertado de la caída

de presión sobre el accesorio a evaluar. En primera medida, se plantea como solución

un análisis paramétrico de la caída de presión sobre la válvula de bola, es decir un

estudio que tiene como base ciertos parámetros de entrada y posteriormente genera el

cálculo de la caída de presión luego del flujo al interior de la válvula para la realización

del cálculo del CV de este elemento y así determinar el rendimiento óptimo de la válvula

de bola, y además de lo anterior encontrar mediante graficas la relación entre el ángulo

de apertura y el coeficiente de flujo de la válvula, y la dependencia del caudal de entrada

sobre el coeficiente de flujo obtenido.

Para iniciar la solución planteada a la problemática propuesta es necesario hablar en

primera medida sobre la geometría a evaluar, es decir el tipo de válvula a analizar y que

volumen es el de importancia para la observación del flujo, y por ende de la caída de

presión.

Debido a la anterior se procede a mostrar el tipo de válvula de bola a analizar:

36

Figura 11: Válvula de bola a analizar.

Fuente: https://grabcad.com/library/ball-valve-84

Figura 12: Bola donde se evalúa el flujo.


Figura 13: Geometría interna de flujo sobre la válvula.


37

Esta válvula escogida en primera medida es para el acople a una tubería de 1” y debido

a su geometría se encuentra la posibilidad de hacer un buen análisis a las perdidas

energéticas dadas por la caída de presión generada por calor, sonido y disminución de

paso de flujo. Además de lo ya mencionado esta válvula ofrece una superficie interior

que se presta de la mejor manera para mostrar el flujo y evidenciar la presión a lo largo

de la misma.

Para la realización del análisis dinámico de fluidos como resolución a la problemática

planteada es necesario dar a entender que solo se tiene como campo de aplicación el

flujo interno sobre la válvula, es decir lo importante realmente es el contacto del fluido

con las superficies internas de la válvula, el análisis se realiza desde un punto A hasta

un punto B, siendo ubicado el punto A justo a la entrada de la válvula y el punto B un

instante luego de la salida de la misma así.

Figura 14: Puntos de análisis del software.

Fuente: elaboración propia

Sabiendo cuales son los puntos a analizar, o mejor dicho los puntos entre los cuales se

realiza el análisis se plantean ciertos parámetros de entrada para la ejecución adecuada

de la solución a la problemática que está siendo planteada, los cuales se enlistaran aquí:

Velocidades en la entrada de 1m/s y 2 m/s ya que velocidades comerciales como

3 m/s generan una caída de presión muy alta debido a la geometría que

proporciona la válvula y el método de solución que ofrece el software. Por ende,

para la disminución de la magnitud de los posibles resultados se procede a usar

en primera medida dicha velocidad, además se toman dos valores de velocidad

para evidenciar el comportamiento de la válvula con la variación del caudal.

Se modela la válvula con descarga a la atmosfera, con de 0 Pa en escala

manométrica, es decir a presión atmosférica estándar de 101325 Pa.

Ángulos de apertura desde 5° hasta 45°. Lo anterior debido a que como se

muestra en las características de la válvula de bola ubicadas en el marco teórico

se explica que este tipo de válvula es un elemento de cierre a cuarto de vuelta,

38

es decir a 45º hacia cada lado. Debido a lo anterior, se toman valores arbitrarios

para realizar una proyección del comportamiento de esta con la variación de los

ángulos de apertura de 5°, 15°,30° y finalmente 45°.

El flujo que se analizará se presenta en un régimen turbulento debido a que por

la variación del ángulo y la superficie interna de la válvula se presentan

rozamientos del fluido con las paredes internas del accesorio al realizar las

modificaciones en los ángulos.

El fluido a analizar es agua a 16 ºC o 289,15 K porque este es el fluido más

común.

El resto de parámetros a utilizar, tales como el número de iteraciones y el tipo de solución

combinado con entrada de velocidad y salida de presión están totalmente ligados al

método de cálculo que ofrece el software, así que se presentaran en la sección que

habla del recorrido de estudio o la metodología para el modelamiento en ANSYS.

A continuación, se presenta la tabla de equivalencia de los ángulos en grados que ofrece

el software ANSYS con la equivalencia de la apertura de la válvula.

ANGULO EN ANSYS EQUIVALENCIA EN APERTURA

45° Apertura completa de la válvula

30° 2/3

15° 1/3

5° 1/9

Tabla 1: Ángulos de apertura en ANSYS y su equivalencia de apertura en la válvula.

7.3 METODOLOGÍA PARA EL MODELAMIENTO EN ANSYS

Al tener como base los parámetros planteados en el apartado anterior es posible

comenzar con la realización del estudio de la caída de presión por medio de un análisis

paramétrico mediante ANSYS paso a paso comenzando con la creación del dominio del

fluido o geometría a analizar, siguiendo con la generación de la malla a estudiar, la

ubicación de parámetros de entrada para la realización del cálculo, el cálculo de la

solución real al análisis por medio de iteraciones, simulación computacional y por ultimo

obtención de resultados y análisis de los mismos.

Para comenzar con la evaluación de la caída de presión es necesario hablar del entorno

para la simulación de flujo que ofrece el software ANSYS, el entorno del Worbench o

zona de trabajo recibe el nombre de Fluid Flow (Fluent), que está diseñado para

cualquier tipo de análisis al flujo de fluidos sobre accesorios o tuberías.

39

Figura 15: Entorno de Análisis de flujo de ANSYS.

Fuente: ANSYS Workbench 16.0

El entorno de flujo cuenta con 5 operaciones, las cuales son:

Geometry: importación y modificación de la geometría o volumen a analizar.

Mesh: Generación de mallado sobre toda la superficie para el análisis de flujo al

interior de la válvula.

Setup: puesta a punto de los parámetros de entrada para la realización del

cálculo de la solución.

Solution: Calculo de la solución por medio de un proceso iterativo en búsqueda

de la convergencia necesaria para mostrar de manera adecuada el flujo al interior

de la válvula.

Results: Postprocesamiento, simulación y búsqueda de otras soluciones para

distintos parámetros a proporcionar al software.

7.3.1 CREACIÓN DEL DOMINIO DE FLUIDO O VOLUMEN DE CONTROL

Dentro del entorno de “Geometry” que maneja ANSYS se importa el modelo de la válvula

en 3D de la página de internet GRABCAD, donde se encuentran modelos en 3D para

descargar y utilizar en cualquier aplicación deseada. Luego de bajar los archivos se

procede a establecer el dominio que va a tener el fluido durante su estudio. El link del

cual se descargó el modelo en 3D se encuentra como fuente en la figura 16 y se

encuentra en las bibliografías. [17]

En primera medida es necesario aclarar que este será un análisis paramétrico así que

se cuenta en este caso un parámetro de entrada y uno luego de salida el parámetro de

entrada a ubicar en el entorno de “Geometry” es el de los ángulos de apertura dispuestos

a trabajar durante el análisis, para esto es necesario darle a la bola de la válvula una

operación o parámetro de rotación para que lo ángulos de apertura puedan ser variados,

de la siguiente manera:

En primera medida se va a la pestaña Create, se sigue con la opción Body transformation

y por último se da click a la opción Rotate

40

Figura 16: Selección de tipo de movimiento rotación.

Fuente: ANSYS Workbench 16.0-Elaboracion propia

En segunda instancia en la parte de Bodies se selecciona la bola de la válvula, para

saber cuál es el elemento a rotar, por tanto se selecciona el cuerpo a rotar y se procede

a clickear la tecla Apply.

Figura 17: Selección de elemento a rotar.


Posteriormente en Axis selection se escoge el eje coordenado sobre el cual la bola de

la válvula va a rotar, para este caso se escoge el eje Y, por tanto se selecciona el eje y

se procede a clickear la tecla Apply.

41

Figura 18: Selección de eje de rotación.


Luego, es requerido que la rotación se vuelva un parámetro de entrada, y por tanto se

requiere dar click en el cuadro blanco de la parte inferior izquierda para volver esa

rotación un parámetro real de entrada, además es necesario dar un nombre a dicha

variable el cual para este caso es ÁNGULO.

Figura 19: Selección de rotación como parámetro.


Para que el ángulo sea variado con éxito, es necesario clickear la ventana Parameters,

y en la barra de parámetros cambiar el valor de ángulo por el dato deseado y

posteriormente dar click en la opción Generate.

42

Figura 20: Rotación del ángulo como un parámetro.


Posteriormente al proceso de la rotación como parámetro de entrada se crea en el

Workbench un icono de parámetro de entrada para luego conectar el parámetro de

salida.

Figura 21: icono de variación de parámetros.


Ya que se planteó la rotación como un parámetro de partida ahora se requiere la

creación del dominio del fluido, es decir, volver la parte interna de la válvula un nuevo

43

volumen el cual es el que realmente se va a analizar por medio del software, es decir el

proceso para hallar este nuevo volumen consiste en llenar la parte interna de la válvula

y de esta manera hallar los lugares por donde es conducido el fluido, cabe aclarar que

las imágenes a mostrar son para la válvula de bola con una apertura de 30º.

Figura 22: Válvula de bola con apertura de 30º


Para el llenado de la válvula y la creación del volumen de control se necesita en primera

medida que la cavidad a llenar se encuentre dentro de un dominio cerrado, para lo

anterior se crean dos fronteras en cada uno de los extremos de la válvula y tapan

cualquier tipo de acceso y salida de la misma; para la creación de las fronteras se entra

a el apartado concept y se da click a la opción de surfaces from edges, para que se

genere la superficie sobre una geometría vacía.

Figura 23: Creación de superficies

44


Ahora se procede a seleccionar las dos circunferencias llenar en la parte de Edges,

posteriormente dando click en la tecla Apply.

Figura 24: Selección de área


A continuación, se da click en el botón Generate para la creación de la frontera sobre el

vacío que se tenía anteriormente.

Figura 25: Frontera creada


Seguido a la creación de las fronteras se requiere la realización del llenado para la

obtención del dominio del fluido, este llenado se realiza mediante la operación Fill. Para

esto se va a la opción Tools y luego a Fill para realizar el llenado.

45

Figura 26: Opción Fill


Para la creación del dominio del fluido o del volumen de control se utiliza un método por

capas, el cual escoge todo el cuerpo analizado, es decir, la válvula y evidencia las partes

donde no se encuentra un relleno sólido y lo rellena por completo, para la realización del

llenado se cambia el método de análisis de by cavity a by caps.

Figura 27: Metodo de análisis por capas


Ahora se selecciona la opción target bodies, luego se seleccionan todos los cuerpos y

se procede a clickear la opción Apply.

46

Figura 28: Selección de cuerpos para generar el dominio del fluido


Lo que resta es dar click en la operación Generate para la obtención del dominio del

fluido, el cual será llevado a la operación de mallado.

Figura 29: Dominio del fluido


7.3.2 MALLADO AL VOLUMEN DE CONTROL

Con la obtención del dominio del fluido, se requiere realizar un mallado sobre toda la

superficie de este volumen a analizar con la finalidad de observar el flujo sobre cada uno

de los puntos que se encuentran dentro de ese dominio para la generación de su

posterior análisis, y además para el cálculo de la caída de presión sobre este accesorio

y el análisis de rendimiento posterior.

A B

47

Figura 30: Entorno de Mallado al dominio del fluido


Para generar el mallado es necesario darle a entender al software donde es la entrada

de flujo, cual es la salida, y cuáles son las paredes por donde va a estar transitando el

fluido, esto se realiza a partir de unas llamadas named selections, las cuales permiten

indicar los puntos donde se requiere ubicar parámetros de entrada antes de la ejecución

del solver para la obtención de los resultados de la caída de presión sobre la válvula.

Para realizar lo anteriormente descrito se selecciona la cara o caras a nombrar y se da

click derecho luego de seleccionarla y se selecciona la opción create a named selection,

posteriormente se realiza la misma operación para las partes de interés.

48

Figura 31: Named selections


Figura 32: Entrada


49

Figura 33: Salida


Figura 34: Pared


Para terminar el mallado se selecciona la opción mesh, luego inflation, posteriormente

all faces in chosen named selections, y por último en donde se encuentra named

selection se selecciona Wall para que lo que se vaya a enmallar sea todo lo que se

encuentra en contacto con la pared. Al realizar esto se procede a clickear el botón

50

Generate y de esta manera se genera la malla con las posiciones de los puntos de real

interés.

Figura 35: conformación de la malla


Figura 36: Mallado del dominio del fluido


51

7.3.3 DEFINICIÓN DE PARAMETROS PARA LA SOLUCIÓN EN EL

SOFTWARE

Para dar inicio al cálculo del flujo de agua sobre el dominio del fluido que ya fue mallado

se va al entorno de set up en el cual se ubican cada uno de los parámetros importantes

al momento de simular, pero además se puede dar inicio al cálculo iterativo de la solución

a la problemática planteada para su posterior simulación y análisis mediante el

postprocesador.

En primera medida al dar doble click en setup se generara un cuadro de dialogo que

evalúa las condiciones de arranque y la precisión con la cual se requiere hacer el cálculo

para un resultado y sin ningún percance durante lo que resta, por ende se dejan todas

las opciones que ofrece por default menos una, ya que la última condición a usar es la

de double precision, la cual como su nombre lo indica, está diseñada para aumentar la

precisión del solver que se va a utilizar durante las iteraciones.

Figura 37: Entrada al entorno setup


Al ingresar el entorno de setup aparecen una serie de parámetros a tener en cuenta

durante las simulaciones a realizar, por tanto es necesario tenerlos claros para continuar

con el proceso de unas simulaciones de alta calidad y con resultados totalmente

veraces.

52

Figura 38: Entorno setup


El primer parámetro a seleccionar es el tipo de sistema que se va a realizar, o en otras

palabras el régimen de flujo que se tendrá en cuenta para la realización del estudio, es

importante aclarar que el flujo que se tiene por default es un flujo laminar, y por tanto se

requiere un cambio en este, por consiguiente en lugar de seleccionar flujo laminar se

selecciona la opción k-epsilon (2eqn), la cual nos presenta un flujo de tipo turbulento y

más acercado a las condiciones de trabajo que ofrece la válvula durante su operación.

Figura 39: Selección de flujo turbulento

53


Luego de la selección del tipo de flujo es necesario hablar del tipo de fluido con el que

se va a trabajar, para el caso de este proyecto el fluido a utilizar es agua en estado

totalmente líquido a temperatura ambiente; debido a que el software tiene cargado el

fluido principal como aire es necesario ir a la biblioteca de ANSYS a seleccionar el fluido

a utilizar como agua, para entrar a la biblioteca se da click en el botón Fluent database

y luego se busca wáter liquid, se da click en copy y luego en close y el fluido ya habrá

sido cargado correctamente.

Figura 40: Selección de agua como fluido de estudio


Posteriormente en la zona de zone cell conditions se requiere cambiar el fluido de aire

a agua en estado líquido para que en cada una de las capas del dominio del fluido se

utilice el agua a 16 ºC, con una densidad de 998.2 kg/m^3, con viscosidad de 0.001003

kg/m*s^-1 como el fluido transitando entre las paredes.

54

Figura 41: Selección de agua para el estudio interno


A continuación, se establecen las condiciones de frontera, dando doble click sobre

cualquier nombre aparecen las condiciones de esa frontera para la realización del

cálculo real de la caída de presión, para este análisis no es necesario ubicar ningún tipo

de parámetro especial para las paredes donde fluirá el fluido y por tanto se toman en

cuenta todas las especificaciones por Default.

Pero tanto para la entrada como para la salida es necesario tener en cuenta las

condiciones de operación ya enlistadas anteriormente, por ende, para la entrada (inlet),

se tiene en cuenta que es una entrada de velocidad que estará funcionando con una

velocidad de 1m/s, y posteriormente con 2 m/s.

55

Figura 42: Selección de velocidad a 3m/s


Y la presión de la salida sebe ser de 0 Pa, ya que así el software realice cálculos en

unidades absolutas ya tiene como base 1 atm de presión y por tanto toda presión a

digitar sobre la presión de salida debe estar dada en escala manométrica para la

obtención de datos claros y veraces.

Figura 43: Selección de presión manométrica 0 Pa


El método de solución a escoger debe ser un método combinado o coupled, ya que el

análisis que se está realizando es un análisis de velocidad a la entrada y presión a la

salida, y debido a esto un método de solución simple no tiene la capacidad de soportar

los cálculos requeridos para la obtención de los datos de caída de presión desde la

entrada a la salida de la válvula.

56

Figura 44: Tipo de solución combinado


Antes de iniciar el cálculo iterativo es necesario saber qué tipo de solución es la que se

requiere, y tal cual por las mismas razones que se usa un método de solución

combinado, para este caso se utiliza un tipo de solución hibrida que relacione los datos

de velocidad a la entrada con la presión a la salida y realice el cálculo adecuado de la

caída de presión en el dominio del fluido.

Figura 45: Solución de tipo hibrida


Por último, es necesario dar click en el botón run calculation, escoger alrededor de 2000

iteraciones para dar posibilidad al cálculo preciso, y por último dar click en la operación

57

calculate, para dar inicio al proceso iterativo que dará solución a las ecuaciones de la

válvula y por tanto que realizara el cálculo real de la caída de presión sobre la válvula.

Figura 46: comienzo del cálculo de la caída de presión


Para que la solución sea la adecuada y tenga veracidad las iteraciones deben converger

con un margen de error mínimo, por ejemplo para el caso del análisis de esta válvula el

número de convergencia es 1E-03, es decir cada una de las ecuaciones debe cumplirse

y por tanto su número de convergencia es se aproxima a cero, para llevar a cabo el

cálculo de cada ángulo se requieren alrededor de 250 iteraciones para que los valores

converjan, lo anterior debido a la geometría interna de la válvula, la cual dificulta la

realización del mallado y por consiguiente la elaboración del cálculo por medio del solver

que ofrece ANSYS.

Por tanto, para obtener los valores de caída de presión de 0º, 15º, 30º y 40º se requieren

alrededor de 1000 a 1300 iteraciones.

58

8. ANÁLISIS Y RESULTADOS

8.1 OBTENCIÓN DE RESULTADOS.

Cuando el solver termina de realizar los cálculos para el programa, se hace posible

analizar los resultados obtenidos, esto se hace por medio de la celda “Results”, en donde

se puede observar un modelo tridimensional del dominio del fluido, y generar un reporte

automático del flujo en su parte interna, pudiendo observar la velocidad de entrada y el

aumento de la misma durante el paso que se tiene por la parte interna de la válvula, y

su disminución al salir de la parte interna del accesorio. Junto con lo anterior también es

posible denotar por medio de una escala de colores la disminución de la presión de la

salida respecto a la de la entrada, yendo desde un rojo lo que muestra una presión muy

alta, hasta un azul claro que da a entender que la presión realmente cayó en su paso

por el interior de la válvula.

Figura 47: Entorno Solution


Luego de la realización de todos los cálculos por parte del solver de ANSYS para cada

uno de los ángulos es posible observar el flujo al interior del volumen de control, esto es

posible verlo por medio de la opción stream line, la cual está diseñada para la

observación de las líneas de flujo entrantes a cualquier accesorio o tubería trabajada.

59

Figura 48: Stream Line


Posteriormente para visualizar de manera adecuada el flujo se selecciona en la pantalla

Geometry la opción start from y dar click a la opción inlet, a continuación, en la pantalla

Symbol seleccionar en stream type la opción tube para poder observar el flujo de agua

como tubos y no solo como líneas para dar mayor claridad con lo que se está

observando, luego dar click en la opción Apply.

Figura 49: Creación de las líneas de flujo.


Seguido a lo anterior, se realiza la generación de un plano que muestre la variación de

la presión desde el punto de entrada, hasta la salida real de la válvula. Este plano se

genera mediante la opción Location, luego clickear en plane, a continuación ir a color,

luego a variable y escoger Pressure para que el plano muestre realmente la variación

de la presión.

60

Figura 50: Creación de plano de presión.


Por último, se requiere hallar el valor numérico de la caída de presión para

posteriormente hallar los valores de coeficiente de flujo CV de la válvula, lo cual se hace

de mediante la pestaña expressions.

Figura 51: Pantalla Expressions.


61

En la pantalla expressions se procede a encontrar el valor de la caída de presión o Delta

P, el cual se halla restando los valores de presión a la entrada de la válvula y los de

presión de la salida de la misma para ver la diferencia entre estos valores y hallar el dato

de perdida energética visto como caída de presión, lo anterior se hace de la siguiente

manera.

En primera instancia es necesario crear una expresión llamada delta P o variación de

presión donde se especificara el cálculo a realizar, esto se hace dando click derecho en

el mouse y luego se da click al botón new para crear una nueva expresión, y a

continuación se da el nombre de la expresión, para este caso será “DELTAP”.

Figura 52: Nueva expresión.


Luego de dar nombre a la expresión es momento de hacer el cálculo de la caída de

presión. Para ello es necesario ejecutar la resta entre la presión a la entrada y la presión

de salida, para realizar esto se requiere usar una función llamada AreaAve que es el

área total de la variable a analizar, esta se despliega dando click derecho, luego

clickeando en functions, seguido a eso presionar en CFD post, para encontrar la función

AreaAve.

62

Figura 53: función AreaAve.


Seguido a lo anterior, se necesita ubicar la variable a analizar entre los paréntesis de la

nueva función, para este caso se escribe la variable Pressure, y a continuación luego

del arroba se escribe el lugar a analizar, el cual es la entrada, por tanto se escribe outlet.

Figura 54: Variable Presión


Por último se hace lo mismo con la salida y se restan esos valores de inlet y outlet para

obtener el dato de la caída de presión luego del paso por la valvula.

Figura 55: Modelo para cálculo de caída de presión en el solver.


63

De lo anterior se obtienen los resultados de caída de presión tanto cualitativa como

cuantitativamente, y además es posible evidenciar los valores cualitativos de las líneas

de flujo, es decir de la variación de la velocidad para su posterior análisis.

8.2 ANALISIS DE RESULTADOS

8.2.1 ANALISIS DE LAS LINEAS DE FLUJO CON LA VARIACION DEL

ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2 m/s.

45°

30°

64

Figura 56: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con velocidad de 1 m/s.


5°

15°

65

45°

30°

66

Figura 57: líneas de flujo de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45°con velocidad de 2 m/s.


Mediante las figuras 59 y 60 es posible evidenciar que hay perdidas energéticas debido

al movimiento de la bola, y por ende al ángulo de apertura presente en el accesorio, lo

cual deja ver que las perdidas están dadas por el flujo que no es capaz de entrar, ya que

la apertura de la válvula es cada vez menor, lo cual incrementa las pérdidas de energía,

por lo que el caudal dentro de la bola disminuye proporcionalmente a la disminución del

ángulo de apertura de la misma. Además de lo anterior la velocidad al interior de la bola

es mayor, esto se evidencia sin importar el caudal que haya a la entrada, ya que el área

de flujo es menor mientras se transita por esta; luego del paso por la bola de la válvula

15°

5°

67

la velocidad vuelve a disminuir debido a la interacción con las paredes del dominio del

fluido, al aumento en el área y el rozamiento que es generado cuando el agua intenta

transitar por el interior de la válvula.

Debido a lo anterior, el flujo es totalmente azul o lento al iniciar 1m/s para la figura 59 y

2m/s para la figura 60, posteriormente en el interior de la bola el flujo se vuelve de color

amarillo, verde o rojo mostrando un aumento en el rango de velocidades que maneja el

fluido, y por último la velocidad vuelve a disminuir cuando termina el paso por la bola

llegando a un azul verdoso, por ende la velocidad en la salida es un poco mayor que en

la entrada.

8.2.2 ANALISIS DEL PLANO DE PRESIÓN CON LA VARIACION DEL

ÁNGULO PARA VELOCIDADES DE 1 m/s Y 2m/s.

45°

30°

68

Figura 58: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º con velocidad de 1 m/s.


5°

15°

69

45°

30°

15°

70

Figura 59: Plano de presión de la válvula para ángulos de apertura de 5°, 15°, 30°, 45º con velocidad de 2 m/s.


Mediante las figura 61 y 62 es posible evidenciar que hay una caída de presión debido

al movimiento de la bola, y por ende al grado de apertura presente en el accesorio, sin

importar el caudal entrante a la misma, lo cual deja ver que la caída de presión está

totalmente ligada a las perdidas dadas por el flujo que no es capaz de entrar, esto porque

la apertura de la válvula es cada vez menor, es decir, la caída de presión es mayor y se

generan mayor cantidad de perdidas energéticas mientras el ángulo de apertura de la

válvula va disminuyendo. Eso se evidencia debido a que la presión va desde un color

rojo que es el punto de presión más alta, el cual se encuentra a la entrada de la válvula

y con el pasar del tiempo de tránsito y esa energía disminuye tal como se aclara el color

del plano de presión de la válvula.

Se comprueba así, que existe una caída de presión gracias a la disminución de la

apertura de la bola, y así lo muestran los resultados de caída de presión que ofrece el

software ANSYS luego de realizar el proceso matemático en la pantalla de expresssions,

es decir, el valor de disminución de la presión al pasar por la válvula, así.

Ángulo de apertura Caída de Presión (Pa) Caída de presión (KPa)

45° 2533.3 2.53

30° 12139.9 12.13

15° 100229 100.3

5° 801985 801.99

5°

71

Tabla 2: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15° y 5°con velocidad

de 1 m/s.

Asumiendo que la tubería que se ubica en la válvula es de 1”, según la tabla de

propiedades de tubería de acero el área inicial de flujo es 5,534x10^-4 m^2, la velocidad

proporcionada al software es de 1m/s,

Según la ecuación

𝑄 = 𝑉 ∗ 𝐴

Ecuación 6. Caudal

El valor del caudal inicial con la válvula completamente abierta Q es igual a:

𝑄 = 1𝑚

𝑠∗ 5,534 ∗ 10−4 𝑚2

𝑄 = 5,534 ∗ 10−4𝑚3

𝑠

Además de lo anterior, como el fluido que cumple la trayectoria del interior de la válvula

es agua con una gravedad especifica de 1, es posible realizar el cálculo del coeficiente

de flujo KV para los valores de caída de presión obtenidos mediante el software de

ingeniería ANSYS y de esta manera realizar las gráficas correspondientes a coeficiente

de flujo vs caudal y coeficiente de flujo vs ángulo de apertura.

El coeficiente de flujo CV en unidades inglesas y KV en unidades internacionales se

obtiene mediante la ecuación 2, pero con ciertas unidades, en primera medida el caudal

de flujo (Q) debe estar en m^3/h, la gravedad especifica es adimensional y la caída de

presión debe encontrarse en bar, por tanto, es necesario realizar las conversiones

pertinentes.

Es importante aclarar que por cada 15 grados de apertura de la válvula realmente el

caudal sobre la bola se aumenta un 33.3%, y por cada 5° se aumenta un 11,1% por tanto

se requiere modificar el caudal para cada uno de los ángulos especificados.

𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ= 1,9922

𝑚3

ℎ Para 45º

𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ∗ 0,666 = 1,327

𝑚3

ℎ Para 30º

𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ∗ 0,333 = 0,663

𝑚3

ℎ Para 15º

𝑄 = 5,534 ∗ 10−4 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ∗ 0,111 = 0,221

𝑚3

ℎ Para 5º

72

𝑆𝐺 =1000

𝐾𝑔

𝑚3

1000𝐾𝑔

𝑚3

= 1 Para el agua

∆𝑃 = 2,53𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟

100𝐾𝑃𝑎= 0,0253 𝑏𝑎𝑟 Para 45º

∆𝑃 = 12,13𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟


∆𝑃 = 100,23𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟

100𝐾𝑃𝑎= 1 𝑏𝑎𝑟 Para 15º

∆𝑃 = 801,99𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟


Con las conversiones anteriormente mostradas, ya es posible realizar una tabulación de

los valores de Kv para cada uno de los ángulos trabajados mediante la siguiente

ecuación.

𝐾𝑣 =(𝑄)

√(𝛿𝑝𝑠𝑔

Ecuación 7. Calculo de KV

𝐾𝑣 = (1,9922𝑚3

ℎ)/(√

0,0253 𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟏𝟐, 𝟓𝟐𝟒𝟗 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 45º

𝐾𝑣 = (1,327𝑚3

ℎ)/(√

0,1213 𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟑, 𝟖𝟏 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 30º

𝐾𝑣 = (0,663𝑚3

ℎ)/(√

1 𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟔𝟔𝟑 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 15º

𝐾𝑣 = (0,221𝑚3

ℎ)/(√

8,02 𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟎𝟕𝟖 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 5º

Angulo Caída de presión (ΔP)

Caudal (Q) Coeficiente de flujo (Kv)

45º 0,0253 bar 1,9922 m^3/h

12,5249 (m^3/h)/(bar)

30º 0,1213 bar 1,49148 m^3/h

3,81 (m^3/h)/(bar)

15º 1 bar 0,99612 m^3/h

0,663 (m^3/h)/(bar)

5º 8.02 bar 0,489 m^3/h 0,078 (m^3/h)/(bar)

Tabla 3: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 1 m/s.

73

A continuación se presentan los valores de caída de presión para una velocidad de 2

m/s y posteriormente el cálculo de Kv para esta velocidad de flujo.

Ángulo de apertura Caída de Presión (Pa) Caída de presión (KPa)

45° 9658.27 9.658

30° 50654.3 50.654

15° 400581 400.58

5° 3.213 x10^6 3213

Tabla 4: Caída de presión para los ángulos de apertura de 45°, 30°, 15°y 5°con velocidad

de 2m/s.

Asumiendo que la tubería que se ubica en la válvula es de 1”, según la tabla de

propiedades de tubería de acero el área inicial de flujo es 5,534x10^-4 m^2, la velocidad

proporcionada al software es de 1m/s,

El valor del caudal inicial con la válvula completamente abierta Q es igual a:

𝑄 = 2𝑚

𝑠∗ 5,534 ∗ 10−4 𝑚2

𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3𝑚3

𝑠

Además de lo anterior, como el fluido de estudio sigue siendo agua con las mismas

características especificadas se procede a calcular KV nuevamente.

𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ= 3,984

𝑚3

ℎ Para 45º

𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ∗ 0,666 = 2,653

𝑚3

ℎ Para 30º

𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ∗ 0,333 = 1,326

𝑚3

ℎ Para 15º

𝑄 = 1,1068 ∗ 10−3 𝑚3

𝑠∗

3600𝑠

1ℎ∗ 0,111 = 0,442

𝑚3

ℎ Para 5º

𝑆𝐺 =1000

𝐾𝑔

𝑚3

1000𝐾𝑔

𝑚3

= 1 Para el agua

74

∆𝑃 = 9.658𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟


∆𝑃 = 50.654 ∗1𝑏𝑎𝑟


∆𝑃 = 400.58𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟

100𝐾𝑃𝑎= 4 𝑏𝑎𝑟 Para 15º

∆𝑃 = 3213𝐾𝑃𝑎 ∗1𝑏𝑎𝑟


Con las conversiones anteriormente mostradas, ya es posible realizar una tabulación de

los valores de Kv para cada uno de los ángulos trabajados mediante la ecuación 4.

𝐾𝑣 = (3,984𝑚3

ℎ)/(√

0,0965 𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟏𝟐, 𝟖𝟐𝟒𝟗 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 45º

𝐾𝑣 = (2,653𝑚3

ℎ)/(√

0,506𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟑, 𝟕𝟐𝟗 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 30º

𝐾𝑣 = (1,326𝑚3

ℎ)/(√

4 𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟔𝟔𝟑 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 15º

𝐾𝑣 = (0,442𝑚3

ℎ)/(√

32,13 𝑏𝑎𝑟

𝑠𝑔 ) = 𝟎, 𝟎𝟕𝟖 (𝐦^𝟑/𝐡)/(𝐛𝐚𝐫) Para 5º

Luego de la realización del cálculo de Kv se presentan las variables a utilizar para las gráficas

en una tabla.

Angulo Caída de presión (ΔP)

Caudal (Q) Coeficiente de flujo (Kv)

45º 0,0965 bar 3,984 m^3/h 12,825 (m^3/h)/(bar)

30º 0,506 bar 2,988 m^3/h 3,729 (m^3/h)/(bar)

15º 4 bar 1,992 m^3/h 0,663 (m^3/h)/(bar)

5º 32,13 bar 0,996 m^3/h 0,078 (m^3/h)/(bar)

Tabla 5: Valor de coeficiente de flujo KV para la válvula de bola con velocidad de 2 m/s.

Con los datos de Kv para las velocidades de 1 m/s y de 2 m/s se evidencia que estos

resultados son similares, es decir se encuentran dentro de un mismo rango numérico,

ya que sus variaciones son por decimales, por tanto es posible decir que así la caída de

presión sea mucho mayor en la válvula trabajando con velocidad de 2 m/s, debido al

aumento del caudal se puede observar que el coeficiente de flujo se mantiene constante,

75

y por tanto se puede hablar de que estos valores de Kv son inherentes a la válvula y a

sus condiciones geométricas internas, junto con el diámetro de la misma y el ángulo de

apertura que tenga la válvula. Luego de lo anterior se procede a realizar el cálculo del

coeficiente o parámetro K para cada ángulo de apertura y observar la relación

mencionada entre K y Kv en el marco teórico mediante las gráficas de K vs Kv.

8.2.3 CÁLCULO DE K PARA LOS ÁNGULOS TRABAJADOS CON VELOCIDADES

DE 1 m/s Y 2m/s.

Sabiendo que el valor de K está dado por la ecuación 5 se procede a realizar su

cálculo para la velocidad de 1 m/s y luego para 2 m/s, así:

𝐾 = 29,842 ∗1"4

1,1562(12,5249)2 = 4,247 Para 1 m/s y 45º

𝐾 = 29,842 ∗1"4

1,1562(3,81)2 = 46 Para 1m/s y 30º

𝐾 = 29,842 ∗1"4

1,1562(0,663)2 = 1515,8 Para 1m/s y 15º

𝐾 = 29,842 ∗1"4

1,1562(0,078)2 = 109509,8 Para 1m/s y 5º

Ahora se presentan los resultados tabulados para su respectiva gráfica.

Ángulo Caudal Q Coeficiente de flujo (Kv)

K

45º 1,9922 (m^3/h) 12,5249 (m^3/h)/(bar)

4,247

30º 1,49148(m^3/h) 4,2823 (m^3/h)/(bar)

46

15º 0,99612(m^3/h) 0,9961 (m^3/h)/(bar)

1515,8

5º 0,489(m^3/h) 0,1723 (m^3/h)/(bar)

109509,8

Tabla 6: Valor de coeficiente K para 1 m/s.

𝐾 = 29.842 ∗1"4

1,1562(12,825)2 = 4,051 Para 2 m/s y 45º

𝐾 = 29.842 ∗1"4

1,1562(3,73)2 = 58,67 Para 2 m/s y 30º

76

𝐾 = 29.842 ∗1"4

1,1562(0,663)2 = 1515,8 Para 2 m/s y 15º

𝐾 = 29.842 ∗1"4

1,1562(0,078)2 = 109509,8 Para 2 m/s y 5º

Ángulo Caudal Q Coeficiente de flujo (Kv)

K

0º 3,984 (m^3/h) 12,825 (m^3/h)/(bar)

4,051

15º 2,988 (m^3/h) 4,21 (m^3/h)/(bar) 58,7

30º 1,992 (m^3/h) 0,996 (m^3/h)/(bar)

1515,8

40º 0,996 (m^3/h) 0,1757 (m^3/h)/(bar)

109509,8

Tabla 7: Valor de coeficiente K para 2 m/s.

Con los datos anteriores se procede a la realización de la gráfica de ángulo de apertura

vs Kv, de caudal de flujo vs Kv para cada una de las velocidades trabajadas con la

finalidad de realizar su análisis y concluir apartados importantes, seguido a esto se

procede a la realización de las gráficas de K y Kv vs ángulo de apertura y vs caudal de

flujo para 1 m/s y 2 m/s para evidenciar y comprobar la relación existente entre las

variables ya mencionadas.

8.2.4 GRÁFICAS DE COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA.

Se presentan las gráficas mencionadas anteriormente y su análisis pertinente, así:

77

Figura 60 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 1 m/s.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 61 Grafica de Kv vs caudal a 1 m/s.

12,5249

3,81

0,6630,078

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

efi

cie

nte

de

flu

jo K

v (m

^3/h

)/(b

ar)

Angulo de apertura en grados

GRÁFICA DE KV VS ÁNGULO DE APERTURA A 1 M/S

12,5249

3,81

0,6630,078

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Co

efi

cie

nte

de

flu

jo K

v (m

^3/h

)/(b

ar)

Caudal m^3/h

GRÁFICA DE KV VS CAUDAL A 1 M/S

78


Figura 62 Grafica de Kv vs ángulo de apertura a 2 m/s.


Figura 63. Grafica de Kv vs caudal a 2 m/s.


12,825

3,73

0,6630,078

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Co

efi

cie

nte

de

flu

jo K

v (m

^3/h

)/(b

ar)


GRÁFICA DE KV VS ÁNGULO DE APERURA A 2 M/S

12,825

3,73

0,6630,078

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Co

efi

cie

nte

de

flu

jo K

v (m

^3/h

)/(b

ar)

Caudal m^3/h

GRÁFICA DE KV VS CAUDAL A 2 M/S

79

Gracias a las gráficas anteriormente mostradas, es posible ver que el coeficiente de flujo

disminuye con la reducción de la apertura de la válvula de bola, lo anterior se debe a

que entre mayor sea el valor del coeficiente de flujo, menores serán las perdidas

energéticas, lo anterior demostrado numéricamente en el cálculo de K y ampliado

posteriormente con las gráficas que relacionan K con KV, y por ende la válvula se

comportara de mejor manera y se aprovechara al máximo la energía para su aplicación

si se encuentra totalmente abierta, esto sin importar el caudal entrante a la misma, ya

que así se maneje un mayor caudal a la entrada de la válvula tendrá el mismo

comportamiento, tal y como se mostró en las figuras 64 y 66, es decir que mientras el

caudal aumente y el ángulo de apertura asimismo el coeficiente de flujo será mayor y

por tanto las perdidas energéticas serán menores.

También es importante aclarar que como la válvula de bola es un elemento diseñado

para trabajar con apertura completa o totalmente cerrada se puede observar una caída

de presión muy elevada cuando el ángulo de apertura es bajo, esto puede deberse a el

rozamiento del fluido con las paredes exteriores de la bola, produciendo fricción, calor,

devolución del fluido cuando no alcanza a entrar a la bola y velocidades excesivas al

interior de esta que pueden generar alto grado de desgaste con el paso del tiempo y del

aumento de la velocidad que se genere a la entrada de la válvula, es decir con las

modificaciones del caudal que ingresa por la válvula.

Figura 64. Relación entre Kv y en ángulo de apertura de una válvula de bola.


Al ver las dos graficas superpuestas se comprueba lo explicado en el apartado anterior

de forma numérica, que así exista una variación en el caudal los valores del Kv están

ligados al ángulo de apertura de la bola, y estos por más grande que pueda ser la caída

12,5249

3,81

0,663

0,078

12,825

3,729

0,6630,078

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

CO

EFIC

IEN

TE D

E FL

UJO

KV

(M

^3/H

)/(B

AR

)

ÁNGULO DE APERTURA EN GRADOS

RELACION ENTRE KV Y EL ANGULODE APERTURA DE LA VALVULA

80

de presión, son constantes debido a la relación de inversa proporcionalidad que se

encuentra con el caudal presente a la entrada de la válvula, por tanto es posible decir

que una válvula de bola se comporta de la misma manera sin importar la velocidad de

entrada a la misma, ya que en realidad el coeficiente de flujo que se tiene será el mismo.

A continuación, se presentas las gráficas de relación entre Kv y K para observar el

comportamiento de estas dos variables cuando es cambiado el caudal entrante y el

ángulo de apertura de la válvula. Para que sea posible la visualización de los valores de

K y de Kv al mismo tiempo se dividirán los valores de K en 1000, ya que lo buscado

realmente es observar el comportamiento de las variables.

Figura 65. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 1 m/s


0,0042470,046

1,5158

109,5098

12,5249

3,810,6630,078

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50


GRÁFICA DE K Y KV VS ÁNGULLO DE APERTURA PARA 1M/S

K

KV

81

Figura 66. Relación entre Kv y K en el ángulo de apertura para 2 m/s


Figura 67. Relación entre Kv y K en el caudal para 1 m/s

Fuente: Elaboración propia

0,004051

0,0587

1,5158

109,5098

12,8253,73

0,6630,078

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Angulo de apertura| en grados

GRÁFICA DE K Y KV VS ÁNGULLO DE APERTURAPARA 2M/S

K

KV

0,004247

0,0461,5158

109,5098

12,52493,81

0,6630,078

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Caudal en m^3/ h

GRÁFICA DE K Y KV VS CAUDALPARA 1M/S

K

KV

82

Figura 68. Relación entre Kv y K en el caudal para 2 m/s

Fuente: Elaboración propia

Como se observa en las figuras 68, 69, 70 y 71 y como se explica dentro del marco

teórico el coeficiente de flujo Kv y el parámetro K tienen una relación de proporcionalidad

inversa, es decir que mientras el valor de K se acerca más a cero el coeficiente de flujo

se ira acercando hacia al infinito, ya que entre menos perdidas energéticas se tengan

(mostradas como los valores de K en pérdidas de carga) el KV de la válvula aumentara

y por tanto la válvula de bola se comportara de mejor manera en su aplicación, es decir

cumplirá con el objetivo que se tenga. Pero inversamente si K va tendiendo a infinito, es

decir, si el grado de pérdida energética aumenta el coeficiente de flujo disminuirá tanto

que estará muy cercano a cero mostrando que la válvula en ese punto no cuenta con

buena operatividad, esto se muestra cuando se va cerrando la válvula, es decir cuando

se está disminuyendo el ángulo de apertura, ya que cuando esto sucede, sin importar el

caudal entrante a la válvula el valor de K aumenta considerablemente llegando a un tope

muy elevado, mientras que el valor de Kv cada vez se acerca más a cero, pero la

situación cambia con el caudal entrante a la bola permitido por las variaciones de los

ángulos de apertura, ya que entre más caudal entre a la bola, es decir, cuando el ángulo

de apertura sea máximo el comportamiento de la válvula es óptimo, ya que cuenta con

un mínimo grado de perdidas energéticas y de desgaste y por ende con un Kv en su

punto máximo de aplicación.

0,004051

0,05871,5158

109,5098

12,8253,73

0,6630,078

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Caudal en m^3/h

GRÁFICA DE K Y KV VS CAUDALPARA 2M/S

K

KV

83

9. CONCLUSIONES

Se realizó un análisis paramétrico de la caída de presión sobre una válvula de

bola, al variar el ángulo de apertura de la misma, manteniendo una velocidad de

entrada constante, y por tanto generando cambios en el caudal entrante a la bola,

obteniendo como resultado transformaciones cualitativas y cuantitativas en la

caída de la presión, y variaciones cualitativas en la velocidad para la observación

del fenómeno de flujo al modificar los datos de diseño.

Se generaron cambios en el caudal entrante a la válvula con variaciones en la

velocidad de entrada, se trabajó una velocidad de 1m/s y una de 2m/s,

encontrando que sin importar el caudal que entre a la válvula esta se comportara

de la misma manera debido a la relación que se encuentra entre el Kv y Q, es

decir, con un caudal variable en la entrada de la válvula, se obtiene aun así un

Kv constante.

Fue posible establecer los parámetros de entrada a la simulación para cada uno

de los casos de estudio al modificar los ángulos de apertura de la válvula de 45°,

30°, 15°y 5°, tomando estos valores como los puntos de interés y los parámetros

como los rangos más utilizados en el diseño de válvulas, encontrando como

resultado cuatro análisis completos en cuanto a su estudio para la posterior

creación de graficas a partir de la veracidad de los datos obtenidos.

Se realizaron las 4 simulaciones de los parámetros definidos con la herramienta

de ingeniería ANSYS, para las dos velocidades de flujo a la entrada de la válvula

trabajadas obteniendo como resultados Gráficas ilustrativas de flujo, velocidad y

presión, para el cálculo del coeficiente de flujo de la válvula de bola y su

esquematización mediante las gráficas establecidas para comparaciones.

Se observó que al generar las gráficas de Angulo de apertura vs Kv y de caudal

de flujo vs Kv, se evidencia el mejor punto de operación de la válvula, el cual es

cuando la válvula está en su totalidad abierta, y la bola está recibiendo el mayor

caudal posible con las condiciones de velocidad inicial que se establezcan,

además de lo anterior se confirma que la válvula de bola no es un tipo de válvula

que se debe utilizar como reguladora de caudal, debido a que demasiado uso de

esa manera no genera un buen comportamiento del accesorio y por excesivo

rozamiento es posible que se generen daños sobre la bola debido al desgaste

excesivo entre fluido y volumen de control por donde este transita.

Al estudiar el comportamiento de las perdidas energéticas y del coeficiente de

flujo mediante graficas fue posible mostrar que el parámetro de perdidas K se

comporta de manera inversa con Kv, ya que la válvula encuentra su mejor punto

de operación cuando K es mínimo y Kv es máximo, para el caso de la válvula

cuando el ángulo de apertura es máximo.

Los parámetros utilizados fueron claros al momento de la realización de las

simulaciones, ya que estos se acercaron a los valores de trabajo real de la

válvula, y gracias a esto las simulaciones fueron posibles, y los valores obtenidos

se encuentran acorde a lo esperado aunque la geometría de la válvula complica

en cierta medida el estudio en los bordes.

84

10. RECOMENDACIONES

El uso del software de ingeniería ANSYS, que es de gran apoyo a la enseñanza

durante la tecnología e ingeniería mecánica podría ser instruido a los estudiantes

mediante cursos o metodologías de enseñanza de elementos finitos MEF, junto

con el entorno de CFD para los estudiantes que cursen la materia de mecánica

de fluidos y máquinas hidráulicas dando bases para la realización de proyectos

de investigación o semilleros en el futuro que se encuentren centrados en la

temática del estudio de fluidos mediante esta herramienta.

También se considera apropiado la caracterización de diferentes accesorios de

la mecánica de fluidos a los estudiantes mediante el software modificando

variables como presión y velocidad, para evidenciar el comportamiento de estos

en un entorno acercado a la operación real de los objetos, en especial de las

válvulas y de los sistemas de transporte de agua.

85

11. BIBLIOGRAFÍA

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velocidad absoluta en la descarga de un cangilón de una rueda pelton,

variando el ángulo de descarga por medio de elementos finitos”

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17. Link de descarga modelo de valvula, Disponible en <

https://grabcad.com/library/ball-valve-84>

ESTUDIO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE...

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