Los fundamentos de los amortiguadores de presión

Los picos de presión en los sistemas hidráulicos pueden destruir los sensores de presión, causando un daño mucho mayor que el precio de los humildes amortiguadores de presión que de otro modo los evitarían. Entonces, ¿qué son y cuándo debes usarlos?

A veces, un pequeño descuido, como una válvula que se abre o se cierra repentinamente, puede causar un problema mayor, creando una ondulación en la bomba o un golpe de ariete. Estos problemas «confunden» el sensor de presión, haciendo que la señal sea ruidosa, reduciendo el ciclo de vida y, en algunos casos, provocando fallas catastróficas. Todos estos dolores de cabeza y costos imprevistos pueden evitarse limitando la magnitud de los transitorios de presión con un simple búfer.

Conceptos básicos sobre sobretensiones

Los transitorios de presión ocurren diariamente en las instalaciones de tuberías. Cerrar la ducha demasiado rápido puede causar un golpe fuerte, un síntoma de golpe de ariete. Esto ocurre cuando la tasa de flujo del fluido cambia repentinamente, generalmente a causa de la operación de la bomba o la válvula. Cada vez que el impulso del flujo o del fluido en movimiento cambia rápidamente, comienzan a formarse ondas de presión que viajan a través de la tubería, lo que hace que la tubería vibre y dañe potencialmente los componentes sensibles.

Una aproximación estándar para calcular los transitorios de presión es la ecuación de Joukowsky. Esta fórmula determina el cambio de presión debido a cambios en la velocidad del fluido:

ΔP= -ρ√(K/ρ) ΔV

donde ΔP es el cambio de presión (a veces llamado aumento), ρ es la densidad del fluido, √(K/ρ) es un cálculo conservador de la velocidad de la onda, K es el módulo volumétrico del fluido y ΔV es el cambio de velocidad.

Tome el ejemplo de un sistema hidráulico con sensores antes y después de la válvula (vea la imagen de arriba). El sistema estaba operando a 10 bar y tenía un flujo de 3,6 lpm antes de que la válvula se cerrara repentinamente, creando una onda de presión de 11,2 bar a través del sistema. Esta onda de presión continuará moviéndose hasta que su energía se disipe por completo.

En general, existen dos problemas con los sensores de presión sin protección: las fluctuaciones de presión y la posibilidad de cavitación. La principal preocupación es si las fluctuaciones de presión excederán el límite de sobrepresión del sensor. Sin embargo, la presión generada por la cavitación puede exceder las fluctuaciones de presión y es más dañina para el sensor de presión. La cavitación es causada por la reducción momentánea de la presión negativa en lugar de la presión de vapor del fluido. Esto puede hacer que se formen burbujas y se colapsen. La explosión de la burbuja de vapor expone el sensor a una presión local excesiva.

El sensor B de la Figura 1 tiene riesgo de cavitación porque encuentra una presión por debajo de la presión de vapor del fluido inmediatamente después de que se cierra la válvula.

Para comprender cómo los transitorios de presión pueden dañar un sensor, debe comprender cómo funciona el sensor. Los sensores de presión están diseñados para rangos de presión específicos. El elemento sensor suele ser un medidor de tensión en la membrana. El diseño del diafragma es un compromiso entre su sensibilidad y seguridad;Puede deformarse elásticamente a su capacidad nominal y es preciso, pero si los transitorios de presión son demasiado altos, se deformará plásticamente (permanentemente) o se romperá. De cualquier manera, el sensor será destruido.

Los fabricantes prueban los transductores de presión para establecer clasificaciones de presión de sobrecarga y, dado que la mayoría de los transductores de presión son dispositivos de medición cuasiestáticos, esto generalmente se hace de forma cuasiestática. Pero los transitorios de presión no son estáticos y pueden causar fallas incluso a presiones por debajo de la clasificación de presión de sobrecarga. Para aliviar este problema, los amortiguadores reducen la presión dinámica a la que está expuesto el sensor durante los transitorios de presión.

buffer

Un amortiguador de presión es un componente auxiliar de perfil pequeño que se conecta a un sensor de presión. Limita la tasa de cambio en la presión del fluido restringiendo el flujo del fluido a través de un accesorio más pequeño. Debido a que el flujo de fluido está restringido, un aumento repentino de la presión puede demorar aguas abajo porque el fluido tarda tiempo en pasar la restricción. Esto filtra los picos de presión, pero los cambios de presión cuasiestáticos pasarán.

El amortiguador amortigua eficazmente los picos de presión a través del accesorio (arriba). Una vez que se cierra la válvula, el aumento de presión en el sensor C es limitado y la presión dinámica es baja.

Por otro lado, la caída de presión en el sensor D se ralentiza y la presión de su cavidad interna no es inferior a la presión de vapor, lo que significa que la cavitación dañina no lo destruirá. Como beneficio adicional, estos sensores están expuestos a amplitudes de tensión más pequeñas y tardan más en experimentar una falla por fatiga. La única desventaja del amortiguador es que su función ralentiza el tiempo de respuesta mecánica del sensor de presión, por lo que no debe usarse para capturar presión dinámica.

Si bien el ejemplo anterior muestra un sistema hidráulico simple, los sistemas más complejos, especialmente aquellos con múltiples ramas, hacen que sea más difícil predecir la posición o la magnitud del golpe de ariete. Existe un software de simulación de transitorios de presión para sistemas complejos, pero puede que no sea rentable. Todo esto hace que sea prudente instalar parachoques de forma preventiva en lugar de arriesgarse a que el sistema se quede inactivo. En pocas palabras: los sensores de presión durarán más con uno que con ninguno.

Gregory Seviora es diseñador de productos Sensores de campo

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