Teoria de valvulas de control

1. CRITERIOS DE DISEÑO DE VÁLVULAS DE CONTROL DE
DEPÓSITOS.
Pedro Luis IGLESIAS REY1
, Juan Angel SERRANO RODRÍGUEZ2
, Vicente S. FUERTES
MIQUEL, Fco. Javier MARTÍNEZ SOLANO
Resumen
Las válvulas son uno de los dispositivos principales para la regulación de sistemas de
distribución de agua. El dimensionado del tamaño y características de una válvula debe
realizarse de acuerdo a criterios tales como la cavitación, la maniobra de cierre de la válvula y
su caracterización hidráulica. Las válvulas de control de depósitos son un tipo específico de
elementos de control cuyo diseño debe abordarse de forma adecuada.
En este trabajo se abordan diferentes criterios para el diseño de válvulas de control de
depósitos. Para ello se analiza un ejemplo genérico con cinco depósitos diferentes, buscando
en cada uno de ellos la solución más adecuada. Se presentan así soluciones como el empleo
de válvulas reductoras de presión, válvulas sostenedoras, válvulas proporcionales, placas
orificio, etc. El resultado es una metodología para el diseño de este tipo de elementos de
regulación.
Abstract
The valves are one of the main devices for the regulation of systems of water distribution
systems. Determining of the size and characteristics of a valve must be made according to
criteria such as the cavitation, the maneuver closing time of the valve and its hydraulic
characterization. Control valves in reservoirs are a specific type of control elements whose
design must be approached of a suitable form.
In this work different criteria for the design of reservoir control valves are approached. Then
a generic example with five different reservoir is analyzed, looking for in each one the
suitable solution. In order to solve the problem we present solutions like pressure reducing
valves, pressure sustaining valves, proportional valves, orifice plates, etc. The result is a
methodology for the design of this type of regulation devices.
Palabras Clave: Válvulas, control, depósitos, abastecimiento, cavitación, válvula reductora,
válvula sostenedora, válvula proporcional, placa orificio.
Keywords: Valves, control, reservoirs, water supply, cavitation, pressure reducing valve,
pressure sustaining valve, proportional valve, orifice plate.
1 Centro Multidisciplinar de Modelación de Fluidos - Universidad Politécnica de Valencia - Camino de Vera, s/n.
ES-46022 – Valencia (ESPAÑA). Tlf. +34963879890; Fax: +34963877981; e-mail: piglesia@gmmf.upv.es
2 Ingeniero Agrónomo - Válvulas Bermad – Uralita Sistemas y Tuberías

2. INTRODUCCIÓN
El control y la automatización de las redes de abastecimiento de agua es una necesidad
creciente. Una gestión técnica y eficaz de los sistemas de distribución pasa por disponer de
elementos que controlen adecuadamente el funcionamiento del sistema ante las demandas y
condiciones variables del sistema. En este sentido se buscan soluciones cuyo funcionamiento
autónomo esté garantizado y, si puede ser, evitando la necesidad de suministro eléctrico
continuo.
Uno de los elementos que de forma genérica participan en la regulación y control de un
sistema de distribución de agua son las válvulas. Existen multitud de elementos de este tipo a
lo largo de toda la red, cubriendo facetas muy diversas. Algunas de las más características
son:
• Válvulas de seccionamiento o corte. Se emplean para impedir completamente el paso
del flujo cuando se procede a aislar un tramo específico y concreto de la red de
abastecimiento. Se trata de válvulas cuyas características fundamentales deben ser la
estanqueidad de cierre la baja pérdida de carga cuando se encuentran completamente
abiertas.
• Válvulas de regulación. Se emplean para controlar alguna de las variables
características del sistema (caudales o presiones). Algunas de sus características
básicas deben ser su buena capacidad de regulación, la capacidad de control o
inhibición del fenómeno de la cavitación y la baja pérdida de carga cuando se
encuentran completamente abiertas. Existen multitud de modelos y tipologías de este
tipo, si bien la distinción más genérica radica en el hecho de que el accionamiento de
las mismas sea de forma programada por el operador del sistema o por el contrario se
realice de forma automática.
• Válvulas de protección. Son válvulas que no participan de la operación normal del
sistema, sino que permiten la protección de la instalación en situaciones que pueden
considerarse excepcionales y ocasionales. Entre estas podrían incluirse válvulas tales
como las de alivio, las anticipadoras de onda, las anti-inundación o las ventosas para
admisión y expulsión del aire.
Sin lugar a duda, el adecuado funcionamiento del sistema normalmente descansa sobre
la fiabilidad y adecuado diseño que se haya realizado de las denominadas válvulas de
regulación o control.
Algunos de los criterios que de forma genérica pueden considerarse en la selección de
una válvula (Fuertes y otros, 2003) son los que de forma resumida se recogen a continuación:
• La válvula debe presentar una baja pérdida de carga a válvula completamente abierta.
• Una gran parte del desplazamiento de la válvula debe tener un efecto importante
sobre la capacidad de regulación del sistema. Al menos el 50% del recorrido de la
válvula debe tener una adecuada capacidad de regulación (Iglesias y Serrano, 2007).
• El par máximo de cierre de la válvula debe tener un valor adecuado. En las
condiciones más desfavorables del sistema, el par máximo de cierre que puede
presentar la válvula siempre debe ser inferior a la capacidad del operador o del
personal encargado del accionamiento.
• El diseño e instalación de la válvula debe ser tal que se impida la cavitación excesiva
o continua (Bras, 2002).

3. • Las maniobras de apertura y fundamentalmente de cierre de las válvulas deben
realizarse de forma lo suficientemente lenta como para garantizar que no se originen
fenómenos transitorios de gravedad (Iglesias y otros, 2004).
• El grado de apertura de la válvula es determinante en la selección de muchas
válvulas. Determinadas válvulas requieren evitar el funcionamiento prolongado con
pequeños grados de apertura. Por el contrario, otras válvulas presentan problemas de
funcionamiento con aperturas cercanas al 100%.
CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE DEPÓSITOS
De entre todas las válvulas de regulación presentes en un sistema de abastecimiento de
agua, las válvulas de control de depósito (ver Figura 1) presentan unas características
singulares. La cercanía de un punto a presión atmosférica origina que los riesgos de
cavitación de este tipo de elementos sea superior al de otros elementos de regulación.
Figura 1. Instalaciones típicas de válvulas de control de depósito.
Las válvulas de control de control de depósito realizan una doble función. Por una parte
controlar los aportes de caudal al depósito en el caso de que el depósito supere el nivel
máximo permitido. Por otra parte, se instalan para controlar los caudales máximos que puede
aportarse al depósito y equilibrar el funcionamiento del sistema. Normalmente se exige que el
mismo dispositivo de control pueda realizar ambas tareas de control del sistema.
Las características que debe cumplir una válvula de control de depósitos (Serrano,
2006) son:
• Larga duración de la válvula. Esta característica se encuentra asociada al adecuado
diseño y selección de la válvula necesaria en cada caso. Para ello las condiciones de
posible cavitación de la válvula pueden resultar fundamentales.
• Maniobra de cierre adecuada. La válvula debe presentar una maniobra de cierre
lenta, ya que en caso contrario el cierre de la misma podría producir un fenómeno
transitorio de importancia. El control de los fenómenos transitorios derivados del
cierre de las válvulas de control de depósito se puede abordar mediante el empleo de
válvulas de aguja, pilotos reductores o pilotos de alivio.
• Control de nivel del depósito. Evitar el desborde del depósito cuando este alcanza un
determinado nivel.
• Control de caudal. Es una función como limitadora de caudal. Esta opción es
sumamente adecuada cuando en un mismo sistema se encuentran varios depósitos a
cotas diferentes.

4. Para las funciones relacionadas con el control de nivel del depósito existen diferentes
soluciones tecnológicas que pueden implementarse (ver Figura 2):
• Válvulas de flotador, bien disponiendo de la solución con dos niveles diferentes, uno
para apertura y otro para cierre, bien con un flotador modulante. de flotador de dos
niveles.
• Válvulas de control de altitud, que presentan una mejor respuesta a la cavitación que
las válvulas de flotador convencionales. Al igual que las válvulas de flotador se
puede disponer de válvula de control de altitud de dos niveles o de altitud modulante.
• Válvula de control con flotador eléctrico. La presencia de algún dispositivo eléctrico
es el que genera las señales para la apertura y cierre de la válvula. Sin duda, el
inconveniente principal de este tipo de válvulas es la necesidad de disponer de
suministro eléctrico.
Figura 2. Soluciones tecnológicas para el control de nivel en depósitos.
Si para el control de nivel de depósitos tres tipos de soluciones claramente diferenciadas
una de otra, el control de caudal en los depósitos presenta una problemática más amplia. Por
este motivo en los apartados siguientes se analizan diferentes estrategias de control de caudal
en depósitos. Para ello se ha seleccionado una determinada instalación sobre la que se á el
estudio y selección de los mecanismos de control del caudal que llega a cada uno de los
depósitos.
DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN OBJETO DE ESTUDIO.
La instalación objeto de estudio (Figura 3) conforma el sistema de abastecimiento a
cinco núcleos poblacionales desde un único depósito principal. Para ello cada uno de los
cinco sectores se ha diseñado para abastecer un caudal de 180 m3
/h, si bien la configuración
inicial del sistema, sin la presencia de sistema de regulación y control alguno no parece
garantizar este funcionamiento.

5. 145
120
90
30
0
150
L=350 m
D=450 mm
L=1000 m
D=350 mm
L=1000 m
D=350 mm
L=8000 m
D=200 mm
L=1000 m
D=300 mm
L=200 m
D=200 mm
L=100 m
D=200 mm
L=200 m
D=200 mm
L=600 m
D=200 mm
D2
D3
D4
D5
D1
Figura 3. Esquema de la instalación objeto de análisis.
El objeto fundamental del trabajo presentado es mostrar las diferentes técnicas
disponibles para el control del caudal en depósitos. Para ello se realizará el dimensionado del
mecanismo de control de cada uno de ellos. Dado que el sistema analizado presenta una gran
diferencia de niveles entre unos depósitos y otros, las estrategias para control de caudal en
cada uno de los depósitos podrán ser diferentes, dependiendo de los niveles de presiones a la
entrada de cada uno de los depósitos.
Para el análisis del funcionamiento del sistema se ha construido un modelo matemático
del sistema. Para ello se ha empleado el modelo EPANET, cuyos detalles pueden seguirse en
Iglesias (2001) o en Rosmann (1997). El esquema general del modelo desarrollado puede
verse en la Figura 4.
Figura 4. Modelo hidráulico de la instalación.

6. En dicho modelo se representa de forma particular la conexión con cada uno de los
depósitos. La tubería que acomete al depósito se conecta con el depósito, en el modelo
desarrollado, a través de dos válvulas diferentes. Una de ellas es una válvula limitadora de
caudal que limita el caudal máximo que puede aportarse al depósito al valor de 180 m3
/h. La
otra de las válvulas representa una simple válvula de regulación cuyas pérdidas de carga a
válvula completamente abierta son bajas.
En el modelo desarrollado se dejan alternativamente abierta una u otra válvula, según se
desee modelar el comportamiento del sistema con o sin la presencia del elemento de control
de caudal en el depósito. En el caso de no emplear válvulas de control de depósito, los valores
que se obtienen son losque de forma resumida recoge la Figura 5.
Figura 5. Modelo de funcionamiento sin válvulas de control en los depósitos.
Sobre el modelo desarrollado se han analizado diferentes situaciones de
funcionamiento, a fin de establecer las condiciones de funcionamiento de las válvulas de
control de depósito y poder proceder a realizar el diseño de las mismas. En la Tabla 1 se
recogen los resultados en cada depósito de los diferentes análisis realizados.
La primera de las columnas recoge el valor de la caída máxima de presión que puede
haber en cada depósito. Dicha caída corresponde a la presión estática en el depósito a la que
está sometida cada válvula de control de depósito para caudales próximos al caudal nulo.
Las siguientes tablas corresponden a los valores de la presión aguas arriba de las
válvulas de control de depósito en el caso de que únicamente exista flujo de circulación al
depósito considerado. En estas circunstancias se pueden producir caudales importantes, y
caídas de presión próximas a la presión estática. Las diferentes tablas recogen los valores
cuando el caudal de entrada al depósito adopta diferentes valores.
La última columna recoge el valor de la presión mínima que puede ocurrir en el punto
situado inmediatamente aguas arriba de la válvula de control. Dicha presión mínima ocurre al
producirse el funcionamiento simultáneo de la totalidad de los depósitos al caudal máximo
previsto para los mismos.

7. Tabla 1. Resultados de las diferentes simulaciones mediante el modelo numérico.
Depósito
Presión
estática
(mca)
Presión funcionando únicamente un depósito
a diferentes caudales
Presión
mínima
(mca)5 l/s 10 l/s 20 l/s 30 l/s 40 l/s 50 l/s
D1 5.00 4.99 4.97 4.88 4.75 4.57 4.34 2.91
D2 30.00 29.97 29.90 29.65 29.26 28.72 28.04 17.32
D3 60.00 59.95 59.81 59.32 58.54 57.49 56.16 40.41
D4 120.00 119.86 119.51 118.22 116.19 113.42 109.92 89.97
D5 150.00 148.68 145.34 133.04 113.44 86.63 52.63 32.69
Analizados los diferentes escenarios de operación de cada uno de los depósitos se
procede en los siguientes apartados al diseño de cada uno de las válvulas de control.
DIMENSIONADO DE LA VÁLVULA DE CONTROL DEL DEPÓSITO D1.
El depósito D1 tiene un funcionamiento con unos desniveles de presión sumamente
bajos. Así la caída de presión oscila entre 2.9 y 5 mca. Dado que la pérdida de carga es
extremadamente baja, tan solo es necesario colocar en la válvula un dispositivo mecánico en
forma de boya que genere el cierre de la válvula cuando el depósito se encuentre
prácticamente lleno.
Para dimensionar adecuadamente cada una de las válvulas de control es necesario
conocer las características de cavitación de las mismas. Estas características deben ser
suministradas por cada fabricante. En el trabajo presentado se ha empleado el modelo de
diseño de válvulas desarrollado por Zvi Weingarten - Bermad (1999), cuyo detalle puede
verse en la Figura 6.
Figura 6. Modelo de dimensionado de las válvulas de control. (Cortesía de Válvulas Bermad).

8. Existen diferentes configuraciones de válvulas dependiendo del mecanismo de cierre.
Por lo general la mayoría de válvulas de control de este tipo presenta un asiento plano cuya
característica de regulación y de comportamiento frente a la cavitación es moderado. A fin de
modificar el funcionamiento de la válvula para condiciones de cavitación más severas y para
grados de apertura menores se diseñan diferentes mecanismos de cierre. En el caso de las
válvulas consideradas en este estudio se dispone tan solo de un tipo adicional con el sistema
de cierre en V (ver Figura 7).
Caudal BajoCaudal Bajo Caudal medioCaudal medio Caudal AltoCaudal AltoCaudal BajoCaudal Bajo Caudal medioCaudal medio Caudal AltoCaudal Alto
Figura 7. Sistemas de cierre con disco plano y disco en V. (Cortesía de Válvulas Bermad).
Utilizando dicho modelo con de diseño, la válvula de tamaño menor que cumple con las
especificaciones establecidas es la de DN200 con disco plano.
DIMENSIONADO DE LA VÁLVULA DE CONTROL DEL DEPÓSITO D2.
El depósito D2 presenta unas variaciones de presión que podrían denominarse
“óptimas” desde el punto de vista del dimensionado que se puede realizar del mecanismo de
control en el depósito. Las características básicas de dimensionado de este depósito son:
• Presión estática: 30 mca
• Presión dinámica aproximada: 20 mca
• Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo: 5 l/s.
Las soluciones técnicamente posibles para implementar una reducción de presión con el
rango de caudales establecido son:
• Instalación de una válvula sostenedora de presión y un flotador para el cierre.
• Instalación de una válvula limitadora de caudal y un flotador para el cierre.
A continuación se recogen los resultados derivados del análisis tanto para caudales
máximos como para caudales mínimos. Para ello se analizan las posibles condiciones de
funcionamiento de dos tipos de válvulas, una de disco plano y otra con un sistema de disco de
cierre en V. Para ello se ha empleado el modelo de diseño de válvulas utilizado con
anterioridad.

9. Para proceder a realizar el análisis se ha estudiado la posibilidad de cavitación o no de
diferentes tamaños de válvula en las condiciones de funcionamiento. Los resultados son los
que muestra la Tabla 2.
Tabla 2. Resultados del análisis de la válvula del depósito D2.
DN Tipo de cierre
Qmáximo = 180 m3
/h Qmínimo = 20 m3
/h
Cavita
Nº
Horas(1) GA (%) Cavita
Nº
Horas(1) GA (%)
150 Disco Plano Si 10 753 13.62% No 100 000 1.40%
150 Disco en V Si 13 240 61.39% No 100 000 23.24%
200 Disco Plano No 25 759 7.35% No 100 000 0.81%
200 Disco en V No 30 832 49.94% No 100 000 16.40%
(1)
Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).
La solución finalmente adoptada es una válvula DN200 con el disco en V. El tamaño
viene condicionado por las condiciones de cavitación y el tipo de cierre por las condiciones de
funcionamiento a caudales bajos. Estos caudales pueden acontecer de forma continua, por lo
que debe garantizarse un grado de apertura mínimo (por lo general superior al 10-15%) que
evite la presencia de vibraciones y un funcionamiento inadecuado de la válvula.
DIMENSIONADO DE LA VÁLVULA DE CONTROL DEL DEPÓSITO D3.
El depósito D3 presenta unas variaciones de presión más elevadas que el depósito D2.
Por este motivo es necesario realizar una reducción previa de la presión y posteriormente
generar la caída de presión definitiva en la válvula de control del depósito. Las características
básicas de dimensionado de este depósito son:
• Presión estática: 60 mca.
• Presión dinámica aproximada de funcionamiento: 40 mca.
• Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo 5 l/s.
Las soluciones técnicamente posibles para implementar una reducción de presión con el
rango de caudales y presiones definido con anterioridad son las siguientes:
• Instalación de una válvula reductora de presión con un flotador en serie con una
placa orificio.
• Instalación de una placa orificio en serie con una válvula sostenedora de presión con
un flotador.
La presencia de la placa orificio de la placa orificio depende del tipo de válvula
instalada. En el caso de instalar una reductora de presión la placa orificio se sitúa entre la
válvula y el depósito. La válvula reductora fija la presión de salida de forma que la caida de
presión del orificio sea aproximadamente constante. Por el contrario, en el caso de instalar
una válvula sostenedora de presión, la placa orificio se coloca inmediatamente aguas arriba de
la válvula.
Dimensionado de la placa orificio
Para realizar el dimensionado de la placa-orificio se emplea la ecuación característica
que representa la velocidad media o el caudal en función de la caída de presión

10. D
0 2
T
0
C
V 2g H
A
1
A
= Δ
⎛ ⎞
−⎜ ⎟
⎝ ⎠
0
D 4
T
0
A
Q C 2g H
D
1
D
= Δ
⎛ ⎞
−⎜ ⎟
⎝ ⎠
donde Q es el caudal que atraviesa el orificio; V0 es la velocidad media en el orificio; A0 es
área del orificio (de diámetro D0); AT es el área de la tubería (de diámetro DT); ΔH es la caída
de presión en el orificio expresada en metros de columna del fluido transportado; y CD es el
denominado coeficiente de descarga que refleja las pérdidas de energía en el mismo y que se
encuentra entre 0.58 y 0.62.
En el ejemplo analizado se pretende diseñar una placa orificio, sobre una tubería de 200
mm de diámetro, que genere una pérdida de energía aproximada de unos 30 mca. En este caso
el diámetro interior del orificio a prácticar debe ser de 66.1 mm.
Dado que la presión estática del depósito son 60 mca y admitiendo que la placa orificio
genera una pérdida de unos 30 mca, será necesario que la válvula genere una pérdida de otros
30 mca. Tras analizar diversas alternativas de diámetros y configuraciones de válvulas los
resultados son los que se obtienen en la tabla siguiente:
Tabla 3. Resultados del análisis de la válvula del depósito D3.
DN Tipo de cierre
Qmáximo = 180 m3
/h Qmínimo = 20 m3
/h
Cavita
Nº
Horas(1) GA (%) Cavita
Nº
Horas(1) GA (%)
150 Disco Plano Si 10 753 13.62% No 100 000 0.63%
150 Disco en V Si 13 240 61.39% No 100 000 13.83%
200 Disco Plano No 25 759 7.35% No 100 000 0.42%
200 Disco en V No 30 832 49.94% No 100 000 10.24%
(1)
Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).
La solución final adoptada es la instalación de una válvula reductora de presión de
DN200 con el disco en V en serie con una placa orificio de diámetro interior 66.1 mm.
DIMENSIONADO DEL DEPÓSITO D4.
El depósito D4 presenta, como diferencia fundamental respecto del depósito D3, un
nivel de presiones más elevado. Por este motivo, la solución pasa por reducir inicialmente de
forma brusca la presión aguas arriba de la válvula. Posteriormente, los niveles de presión son
similares a los del depósito D3 y se realizará un dimensionado similar.
Los datos básicos para el análisis y dimensionado de la válvula en el depósito D4 son:
• Presión estática: 120 mca.
• Presión dinámica aproximada de funcionamiento: 90 mca.
• Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo 5 l/s.
En este caso una solución tecnológicamente posible es la instalación en serie de un
mecanismo que genere una doble reducción de presión y una válvula reductora de presión.
Así, se propone la instalación en serie de una válvula reductora proporcional, una segunda
válvula reductora y una placa orificio (ver Figura 8).

11. Figura 8. Instalación típica de alta presión en un depósito.
Principio de funcionamiento de la válvula reductora proporcional.
El funcionamiento de una válvula reductora de presión es bien conocido. No obstante,
determinados tipologías de válvulas reductoras tienen la posibilidad de configurar las mismas
de forma que se genere una reducción de la presión proporcional. Se trata de un tipo de
válvula que no requiere de sistema de pilotaje alguno. Para su configuración basta con
conectar el punto aguas arriba de la válvula con la cámara de la parte superior de la válvula.
El principio de funcionamiento se basa en el equilibro de las fuerzas mostradas en la
Figura 9. Dichas fuerzas son debidas a las presiones en las distintas partes de la válvula
considerada.
Figura 9. Esquema de una válvula reductora proporcional.
Las tres fuerzas puestas en juego son las siguientes:
• Fuerza en la cara inferior del asiento debida a la acción de la presión p1 aguas arriba
de la válvula sobre la sección de paso de la válvula A0.
• Fuerza en la cara posterior del asiento debida a la acción de la presión p2 aguas abajo
de la válvula. Dicha presión en la cara posterior actúa sobre una superficie igual a la

12. diferencia entre la sección de paso de la válvula A0 y el eje de accionamiento de la
válvula AE.
• Fuerza ejercida sobre la cámara de la válvula, que posteriormente se traslada al eje.
En el caso de esta fuerza se admite que en la posición de equilibrio la presión aguas
abajo de la válvula se traslada a la parte superior de la cámara. Por ello esta fuerza
será el producto de dicha presión p2 por la sección transversal de la cámara AC.
El balance de fuerzas planteado, matemáticamente se puede expresar como
( )1 0 2 0 E 2 Cp A p A A p A= − +
Este balance de fuerzas establece que la relación de presiones manométricas entre la
entrada y la salida de la válvula viene dada por la expresión
C E1
2 0
A Ap
1
p A
⎛ ⎞−
= +⎜ ⎟
⎝ ⎠
Dicha relación corresponde únicamente a características geométricas de la válvula, por
lo que está perfectamente determinada para cada geometría de la misma. De forma habitual la
sección del eje AE se considera prácticamente despreciable respecto de la sección en la
cámara, por lo que la expresión anterior se simplifica en
C1
2 0
Ap
1
p A
⎛ ⎞
= +⎜ ⎟
⎝ ⎠
Tabla 4. Ratios de reducción de válvulas proporcionales BERMAD SERIE 700 de disco plano.
(Cortesía de Bermad Control Valves).
Accionadas por diafragma Accionadas por pistón
DN
Ratio
DN Ratio
Disco Plano Disco en V
2" 3.7 4.4 2" 4
2 1/2" 3.7 4.4 2 1/2" 4
3" 2.6 3.3 3" 4
4" 2.5 3.1 4" 3.7
6" 2.5 3 6" No existe
8" 2.4 2.9 8" No existe
10" 2.3 2.9 10" 2.3
12" 2.2 2.7 16" 2.2
14" 2.2 2.7
16" 2.2 2.6
18” 2.2 2.6
20” 2.2 2.6
Dimensionado de de los elementos.
En este caso, se prevé que el diseño requiera de la instalación de una válvula
proporcional con disco en V de aproximadamente entre un DN 150 y DN 200. Por ello se
admite que el ratio aproximado de reducción de la presión de entrada será de 3. En estas
condiciones, dado que la presión estática en el depósito es 120 mca, la presión manométrica
después de la válvula proporcional estará en torno a 40 mca. En estas condiciones se analizan

13. diferentes soluciones de diseño de la válvula verificando el nivel de cavitación de la misma y
su grado de apertura. Los resultados se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Resultados del análisis de la válvula proporcional del depósito D4.
DN Tipo de cierre
Qmáximo = 180 m3
/h Qmínimo = 20 m3
/h
Cavita
Nº
Horas(1) GA (%) Cavita
Nº
Horas(1) GA (%)
150 Disco Plano Si 15 388 7.59% No 100 000 0.84%
150 Disco en V Si 18 947 50.76% No 100 000 17.09%
200 Disco Plano No 36 864 4.22% No 100 000 0.50%
200 Disco en V No 44 124 40.26% No 100 000 11.94%
(1)
Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).
Tras la válvula proporcional se instala una placa orificio que debe generar una pérdida
de carga aproximada de unos 20 mca para el caudal máximo de circulación de la instalación
(180 m3
/h). El cálculo de este tipo de elemento se sigue mediante los mismos planteamientos
abordados con anterioridad. En este caso se instala una placa, sobre la tubería de diámetro 200
mm cuyo diámetro interior es de 73 mm.
Finalmente queda por analizar una válvula reductora de presión que tenga una presión a
la entrada de unos 40 mca y una presión a la salida de 20 mca. La presión a la entrada es la
obtenida tras la reducción de la válvula proporcional. La presión a la salida es la requerida
para posteriormente vencer los 20 mca de presión de la placa orificio. Los resultados del
análisis de las diferentes soluciones analizadas son los que recoge la Tabla 6.
Tabla 6. Resultados del análisis de la válvula reductora del depósito D4.
DN Tipo de cierre
Qmáximo = 180 m3
/h Qmínimo = 20 m3
/h
Cavita
Nº
Horas(1) GA (%) Cavita
Nº
Horas(1) GA (%)
100 Disco Plano Si 11 161 43.36% No 100 000 3.72%
100 Disco en V Si 16 163 95.19% No 100 000 38.62%
150 Disco Plano No 37 079 16.86% No 100 000 1.49%
150 Disco en V No 45 654 65.00% No 100 000 25.74%
(1)
Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).
DIMENSIONADO DEL DEPÓSITO D5.
El depósito D5 presenta unas características de variación de presión particularmente
complejas. Mientras la presión estática presenta un valor elevado (del orden de 150 mca), la
presión dinámica se encuentra en torno a los 30 mca. Esta variación tan grande de la
reducción de presión que debe introducir la válvula hace que la solución deba ser diferente en
el caso de grandes o pequeñas reducciones de presión.
Los datos básicos para el análisis y dimensionado de la válvula en el depósito D5 son:
• Presión estática: 150 mca.
• Presión dinámica aproximada de funcionamiento: 30 mca.
• Caudal máximo 50 l/s; caudal mínimo 5 l/s.

14. En este caso una solución la solución tecnológicamente posible es similar a la del
depósito D4. Se requiere la instalación de una fuerte reducción de presión a la entrada del
depósito. Por ello se propone instalar en serie una válvula reductora proporcional, una
segunda válvula reductora y una placa orificio. En este caso, dado que la diferencia entre la
presión estática y la presión dinámica es importante, se requiere un mecanismo que anule de
alguna forma la válvula reductora proporcional cuando la presión a la entrada de la misma
esté por debajo de un determinado valor.
Figura 10. Funcionamiento del piloto sensor de anulación de la válvula proporcional.
El funcionamiento del piloto sensor es relativamente sencillo (Figura 9). En el caso de
que se esté funcionando con una presión alta están conectados los orificios A y B del piloto,
por lo que la válvula funciona como una reductora proporcional. Por el contrario, cuando se
alcanza un valor bajo de presión quedan conectados los orificios A y C, por lo que la válvula
se encuentra anulada y permanece completamente abierta.
Como puede apreciarse del análisis de resultados de la Tabla 7, la válvula reductora
proporcional necesaria es la misma que en el caso del depósito D4. Tras esta válvula
proporcional se instala una segunda válvula reductora y antes del depósito una placa orificio.
Dicha placa orificio debe tener una pérdida de carga aproximada de unos 20 mca, al igual que
ocurría con la placa del depósito D4. Por ello se instala una placa de las mismas
características que en dicho depósito (tubería de diámetro 200 mm y orificio de diámetro 73
mm).
Tabla 7. Resultados del análisis de la válvula proporcional del depósito D5.
DN Tipo de cierre
Qmáximo = 180 m3
/h Qmínimo = 20 m3
/h
Cavita
Nº
Horas(1) GA (%) Cavita
Nº
Horas(1) GA (%)
150 Disco Plano Si 14 766 6.88% No 100 000 0.76%
150 Disco en V Si 18 161 48.92% No 100 000 15.73%
200 Disco Plano No 35 374 3.75% No 100 000 0.45%
200 Disco en V No 42 341 38.65% No 100 000 11.26%
(1)
Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).

15. Finalmente queda por analizar una válvula reductora de presión que tenga una presión a
la entrada de unos 40 mca y una presión a la salida de 20 mca. La presión a la entrada es la
obtenida tras la reducción de la válvula proporcional. La presión a la salida es la requerida
para posteriormente vencer los 20 mca de presión de la placa orificio. Los resultados del
análisis de las diferentes soluciones analizadas son los que recoge la Tabla 8.
Tabla 8. Resultados del análisis de la válvula reductora del depósito D5.
DN Tipo de cierre
Qmáximo = 180 m3
/h Qmínimo = 20 m3
/h
Cavita
Nº
Horas(1) GA (%) Cavita
Nº
Horas(1) GA (%)
100 Disco Plano Si 24 719 13.25% No 100 000 1.35%
100 Disco en V Si 30 436 60.71% No 100 000 22.80%
150 Disco Plano No 59 218 7.08% No 100 000 0.78%
150 Disco en V No 70 879 49.36% No 100 000 16.03%
(1)
Número máximo de horas de funcionamiento en las condiciones supuestas (máx. 100.000).
CONCLUSIONES
Tras analizar las diferentes alternativas de solución al caso propuesto, pueden extraerse
las siguientes conclusiones:
• Válvulas de control con reducciones de presión pequeñas no requieren de mecanismo
alguno, sino la colocación de una simple válvula con una boya mecánica de control
del nivel.
• Todas las combinaciones analizadas se reducen en última instancia a dimensionar
una válvula que genere una reducción aproximada de unos 2 o 3 bares. En el caso de
que esta sea la presión a la entrada del depósito se requiere de un único elemento de
control.
• En los casos en los que las reducciones de presión necesarias son superiores la
solución más adecuada consiste en fraccionar los saltos de presión con la utilización
de placas orificio o válvulas reductoras proporcionales.
• Las válvulas que requieren grandes variaciones de presión pueden combinar dos de
las soluciones anteriores mediante el empleo de pilotos o mecanismos que anulen el
funcionamiento de una de las válvulas reductoras proporcionales por debajo de un
determinado nivel de presión.
En definitiva, los criterios mostrados para el ejemplo del presente trabajo, pueden ser
fácilmente extrapolados como criterio de diseño para otras válvulas de control de depósitos.
Más aún, algunos de estos criterios son de utilidad para el dimensionado de válvulas de
control automáticas en redes de abastecimiento, no necesariamente vinculadas a la presencia
de un depósito.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido realizado en el marco del proyectos de investigación CADAGIAS
(Nº DPI2006-13113), financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia (España) y los
fondos europeos FEDER.

16. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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2002, pág. 25-29.
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del libro Ingeniería hidráulica en los abastecimientos de agua. Ed. Grupo Multidisciplinar de
Fluidos – Universidad Politécnica de Valencia, España.
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regimen transitorio. Tesis doctoral. Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio
Ambiente. Universidad Politécnica de Valencia (España).
Iglesias Rey, P.L.; Fuertes Miquel, V.S.; Izquierdo Sebastián, J.; Martínez Solano, F.J.
(2004). Sistemas de protección para el control de fenómenos transitorios. Capítulo 11 del
libro Fundamentos de hidráulica urbana. Ed. Grupo Multidisciplinar de Fluidos –
Universidad Politécnica de Valencia, España.
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