Procedimiento y sistema para la medición de caudal de agua con llaves de mariposa.

Sistema para medición del caudal de agua con llaves de mariposa.

La invención se encuadra en los sistemas de distribución de agua a presión, definiendo una herramienta para conocer la presión y el caudal en una conducción en la que se establece una llave de mariposa.

El sistema realiza la medida de la diferencia de altura piezométrica entre un punto de toma manométrico (1-1'-1''), situado aguas arriba del eje del opérculo (3) de la llave de mariposa, y un punto de toma manométrica (4-4'-4'') aguas abajo del opérculo.

Los puntos de toma manométrica pueden disponerse en diferentes posiciones, tales como inmediatamente aguas arriba de dicho eje del opérculo (3), y en correspondencia con la parte posterior del opérculo (3), en una zona inmediatamente anterior al opérculo (3), y en un costado de la tubería, o bien en el portabridas o carrete de conexión de la llave de aguas arriba y sobre un costado del propio portabridas aguas abajo del opérculo.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se encuadra en el sector técnico de sistemas de distribución de agua a presión. Concretamente es una herramienta de apoyo para monitorizar, conocer y/o supervisar valores de variables hidráulicas como la presión y el caudal. Aprovecha las llaves de mariposa y las implementa para que además de permitir, impedir o regular el servicio, nos indiquen el caudal circulante a partir de la diferencia de presiones en dos puntos. De esta forma, dada la numerosa presencia de estas llaves en las redes de distribución, se podría disponer en tiempo real, de una información minuciosa de los caudales en un gran número de puntos de la red a bajo coste, lo que sin duda complementa a las tecnologías de la información y la comunicación (TICs) para la gestión optimizada de la distribución. El coste de la implementación es muy reducido por comparación con el coste de instalar caudalímetros comerciales, de esta forma la información de estos quedaría ampliamente complementada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El disco u opérculo de una llave de mariposa es un elemento aerodinámico con objeto de reducir las pérdidas de carga que se producen en la misma. Aunque esté en posición entreabierta, el flujo primero se contrae y a continuación, una pequeña distancia aguas abajo, se expande, de forma que puede ser aproximado de una forma razonablemente precisa por un movimiento unidimensional.

Al aplicar las ecuaciones de continuidad y de la energía entre secciones con movimiento uniforme resulta una ecuación en la que el caudal Q es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de alturas piezométricas, como la del venturímetro. El coeficiente de desagüe Cd, por ser el flujo en tres dimensiones, es preferible determinarlo por calibración experimental

que por aproximaciones analíticas a partir de soluciones conocidas del movimiento potencial plano. Una solución intermedia sería el uso de técnicas CDF (computational fluid dynamics).

La energía de la sección de aguas arriba, mejor que su altura piezométrica h, puede ser estimada en el punto de parada que origina el eje del opérculo, mientras que la altura piezométrica de la sección de aguas abajo puede ser estimada detrás del opérculo, aprovechando que en la capa límite la presión es aproximadamente igual a la del movimiento del flujo casi potencial más lejos del contorno. De no querer perforar el opérculo, como solución alternativa, se propone sustituir el segundo punto por otro perforado en la tubería en una sección próxima a la del movimiento uniforme. En este caso, al cambiar la posición del opérculo, determinada por el ángulo a, cambiaría un poco la posición relativa de dicha sección. Además, en el punto perforado no se produciría la sección con movimiento uniforme para todos los valores de a. No obstante, las diferencias son pequeñas y además el intercambio cuadrático entre sumando de presión y cinético permite, de realizar una calibración específica, obtener una ecuación como si lo estuviese, aunque con un coeficiente ligeramente modificado.

Cuando el opérculo está completamente abierto y este tiene un grosor pequeño (cuando se fabrican en acero), en ambas opciones, la diferencia de altura piezométrica, con la propuesta realizada, representa prácticamente el sumando cinético, como en un tubo de Pitot o sonda de Prandtl, y, por tanto, también se cumple la relación cuadrática entre h y Q. Obsérvese que, dado que estas llaves suelen estar completamente abiertas o completamente cerradas, es una opción de gran interés. Si el grosor del opérculo es mayor, el estrechamiento producido podría ser relevante, lo que le haría más parecido al venturímetro, si bien, la toma de aguas arriba mediría la altura de energía total en vez de la piezométrica y la relación entre las magnitudes sería como la mencionada. En este caso el mayor estrechamiento permitiría una mayor lectura y, con ello, seguramente una mayor precisión.

Por lo descrito, se desprende que el comportamiento es intermedio entre el venturímetro y el tubo de Pitot, ofreciendo mejores resultados para caudales altos en los que la diferencia de altura piezométrica es más elevada y, siendo los errores, sobre todo los relativos, más altos para caudales pequeños. Aspecto que es también muy común en todos los

caudalímetros, sobre todo en los de fundamento hidrodinámico.

Lógicamente, la precisión que cabe esperar es algo menor que la del venturímetro dado que al medir detrás del opérculo hay mayor concentración de remolinos, que además, dado que implica variabilidad, hacen necesario el promediar los valores en un pequeño intervalo de tiempo. También en el caso de medir en la tubería por no localizar perfectamente la sección con régimen uniforme. Pero, con los resultados experimentales realizados se confirma que la precisión general no dista mucho de la que cabría esperar con un venturímetro que produjese un estrechamiento similar. En el caso, de opérculos de pequeño espesor y totalmente abiertos, al seleccionar un punto de parada en la sección de aguas arriba la precisión es mejor que la del venturímetro con el mismo estrechamiento, ya que en el caso del venturímetro no habría apenas diferencia de altura piezométrica y, sin embargo, en el invento propuesto al medirla altura de energía aguas arriba, sí hay diferencia de lecturas, en este caso sería muy similar a la del tubo de Pitot.

Dado que la fuerza del agua sobre el opérculo, aunque intuitivamente pueda parecer lo contrario, en una situación con ángulo a intermedio tiende a cerrarlo, es conveniente reducir la holgura del mecanismo de fijación del opérculo en cada posición. Las posibles diferencias de la separación del flujo del opérculo en función de situaciones precedentes, pueden asimismo ofrecer un pequeño efecto de histéresis entre el proceso de cierre y el de apertura. El posible estado de conservación de la llave, en especial, en los puntos de separación puede ocasionar pequeñas variaciones con el tiempo. Aspectos ambos que podrían aconsejar la posible modificación del coeficiente Cd o equivalente determinado en fábrica.

El procedimiento propuesto de medición puede ser acoplado para la medición del caudal Q en otras válvulas o elementos en los que se produzca esta relación cuadrática entre la altura piezométrica h y el caudal Q, si bien, habría que seleccionar los puntos en cuestión con criterios similares a los comentados con la llave de mariposa. Las técnicas CFD podrían ser usadas para ayudar en la selección de los puntos en elementos complejos. Tampoco sería necesario que el exponente fuese 0.5, pues otras fórmulas podrían ser introducidas. No obstante, para el caso propuesto, se piensa que el exponente 0.5 será lo suficientemente

preciso y el conjunto resultará más fácil de calibrar a partir de medidas observadas con la llave funcionando en su propia instalación.

El procedimiento es nuevo, en el sentido de que no hay constancia de que hay sido usado hasta la fecha. Por otra parte, de forma conceptual y práctica difiere de los que pudieran usar las pérdidas de carga que ha sugerido algún investigador, aunque no nos consta que esté patentado, y que no sería adecuado para llaves de mariposa. Aquellos que pudieran usar las pérdidas de carga, el punto de aguas arriba no debería ser un punto de parada y el de aguas abajo debería estar bastante suficientemente lejos de la llave, con las dificultades de implementación si es que existe un tramo uniforme aguas abajo. Si la llave está completamente abierta, situación más frecuente, las pérdidas de carga serían muy pequeñas y, por tanto, no habría precisión. Por otra parte, la propuesta que realizamos, en lo que se refiere a su segunda opción, al tener los puntos inmediatamente antes y después de la llave puede implementarse en las bridas o carretes de conexión de la llave, pudiéndose fabricar de forma separada y pudiendo servir para muchas llaves. La posterior calibración introduciría después los coeficientes apropiados en el microcontrolador de la llave correspondiente.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El procedimiento de la invención, ha sido concebido para permitir el uso de materiales diversos como plástico y acero. El sistema puede tener tres alternativas en lo que se refiere a la ubicación de los puntos de toma.

1a Alternativa. Toma de aguas abajo en la parte posterior del opérculo.

En esta alternativa, el primer punto de toma manométrica está colocado inmediatamente aguas arriba del eje del opérculo, mientras que el segundo punto de toma manométrica, el de aguas abajo, está colocado en la parte posterior del opérculo.

2a Alternativa. Toma de aguas abajo en la tubería.

En...

1a.- Procedimiento para medición del caudal de agua con llaves de mariposa, aplicable en instalaciones de agua a presión para permitir monitorizar, conocer y/o supervisar valores de variables hidráulicas como son la presión y el caudal, utilizando llaves de mariposa, caracterizado porque consiste en realizar la medida de la diferencia de altura piezométrica entre un punto de toma manométrico (1), (1), (1), situado aguas arriba del eje del opérculo (3), y un punto de toma manométrica (4), (4), (4) aguas abajo del opérculo.

2a.- Sistema para medición del caudal de agua con llaves de mariposa, según el procedimiento de la reivindicación 1a, caracterizado porque el punto de toma manométrica (1) situadas aguas arriba del eje del opérculo (3), está situado inmediatamente aguas arriba de dicho eje (2) del opérculo (3), mientras que el punto de toma manométrica (4), aguas abajo, está situado en correspondencia con la parte posterior del opérculo (3).

3a.- Sistema para medición del caudal de agua con llaves de mariposa, según el

procedimiento de la reivindicación 1a, caracterizado porque el punto de toma manométrica (1) aguas arriba está situado inmediatamente anterior al opérculo (3), mientras que el punto de toma manométrica (4) aguas abajo esta colocado lateralmente a la llave, en un costado de esta y en correspondencia con la parte central mas distante del eje (2) del opérculo (3), próximo a la posición en que dicho opérculo (3) hace el cierre.

4a.- Sistema para medición del caudal de agua con llaves de mariposa, según el

procedimiento de la reivindicación 1a, caracterizado porque el punto de toma manométrica (1) está en el portabridas o carrete de conexión de la llave de aguas arriba e

inmediatamente antes de ella, mientras que el punto de toma manométrico (4) está situado sobre un costado del propio portabridas o carrete de conexión de la llave aguas abajo del opérculo.