Picos de presión en sistemas cerrados
- 13/02/2025
El peligro subestimado de los sistemas presurizados y cómo evitarlo
Los picos de presión en sistemas cerrados pueden causar daños importantes y son más complejos de lo que parecen a primera vista. Pero, ¿qué son exactamente los picos de presión? ¿Cómo se producen y cómo podemos proteger los sistemas contra ellos? Es hora de que echemos un vistazo a este tema y expliquemos cómo las mediciones precisas juegan un papel en garantizar la seguridad y la eficiencia en los sistemas de presión.
¿Qué son los picos de presión?
Los picos de presión son aumentos abruptos, breves e intensos de la presión en un sistema cerrado. Se producen con mayor frecuencia bajo cargas de presión dinámicas, cuando la velocidad del flujo cambia repentinamente. Este tipo de picos de presión son comunes en las tuberías de suministro de líquidos y gases, pero también pueden ocurrir en otras aplicaciones, como sistemas hidráulicos o neumáticos. Un aumento repentino de la presión puede tener un gran impacto en la seguridad y la durabilidad de un sistema, además de causar daños como fugas y componentes rotos, o incluso provocar que falle todo el sistema.
En particular, en los sistemas que transportan líquidos, como las tuberías de agua, se generan grandes fuerzas porque los líquidos tienen una mayor densidad y, por lo tanto, más masa por volumen que los medios gaseosos. El resultado es que se introducen cantidades relativamente grandes de fuerza en el sistema. Además, los líquidos tienen muy poca compresibilidad, lo que significa que las fuerzas transmitidas se transmiten directamente sin amortiguarse en un grado apreciable.
Cómo se producen los picos de presión
Los picos de presión se producen cuando el movimiento del fluido en un sistema se detiene o cambia de forma abrupta. Esto puede ocurrir, por ejemplo, cuando se abre o se cierra una válvula rápidamente. Se genera una onda de presión que se propaga por el sistema.
La física detrás del fenómeno
Para ayudarte a entender lo que está sucediendo, echemos un vistazo rápido a algunos de los principios físicos subyacentes.
Las tres leyes del movimiento de Newton
Ley de inercia: Un cuerpo (en este caso el fluido) permanece en reposo o en constante movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él.
Principio de acción: La fuerza es igual a la masa por la aceleración.
Principio de interacción: Toda acción tiene una reacción igual; toda fuerza que actúa cuando dos masas interactúan genera una fuerza opuesta de igual magnitud.
O, dicho de otro modo: si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B, entonces el cuerpo B ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el cuerpo A. La fuerza y la contrafuerza tienen la misma magnitud pero son directamente opuestas.
Principio de Bernoulli
La ecuación de Bernoulli describe la conservación de la energía en un fluido en movimiento. En términos simplificados, establece que en un medio en movimiento, la presión total (compuesta por la presión estática, dinámica e hidrostática) permanece constante.
Esto significa que si la velocidad del flujo aumenta y la presión hidrostática permanece igual, la presión estática tiene que disminuir porque la energía cinética del fluido aumenta.
Este principio también juega un papel en el funcionamiento de las alas de los aviones. El perfil asimétrico del ala y el ángulo de inclinación garantizan que el aire fluya más rápido sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que crea una diferencia de presión. Se forma una presión negativa sobre el ala, mientras que existe una presión más alta debajo de ella. Además, el flujo de aire se desvía hacia abajo, lo que genera una fuerza de sustentación ascendente de acuerdo con la tercera ley de Newton. La combinación del efecto Bernoulli y la conservación del momento permite el vuelo.
Volviendo a nuestro caso específico, este principio entra en juego en particular cuando se forman burbujas de gas en el medio, y esto ocurre en combinación con otro fenómeno que explicamos a continuación. <
Golpes de ariete
Los golpes de ariete son el ejemplo clásico de picos de presión, también llamados “golpes de ariete”. Este fenómeno se produce cuando un líquido se ve obligado a detener su flujo de repente o cuando la velocidad del flujo cambia drásticamente, lo que provoca un aumento repentino de la presión.
Si el medio está en movimiento y se detiene por una resistencia, la energía cinética se convierte en presión. Esta fuerza continúa hacia atrás en el medio desde el obstáculo y se propaga en el sistema como una onda de presión que se mueve a la velocidad del sonido.
Si la energía del sistema no se puede disipar comprimiendo el gas presente, la única opción es que las tuberías y los accesorios se deformen. En el peor de los casos, puede producirse un fallo total del material y que los componentes o las conexiones exploten. Pero tampoco se deben subestimar las deformaciones puramente elásticas, es decir, las oscilaciones y las vibraciones, ya que a menudo provocan microrroturas en el material en forma de pequeñas grietas. Esto crea nuevas vías para daños debido a posteriores picos de presión o corrosión. Con el tiempo, el riesgo aumenta.
El aumento de presión es como si “sondeara” el sistema en busca de un punto débil por el que atravesar. De esta forma, puede recorrer distancias de varios kilómetros sin problemas y reflejarse varias veces de un lado a otro a lo largo de la tubería antes de que se agote su energía. Esto significa que en sistemas bajo presión, incluso los componentes que no están en las inmediaciones de la causa del aumento de presión pueden verse afectados.
Un ejemplo conocido de la vida cotidiana es el ruido de impacto, a menudo audible, que se produce cuando se cierra rápidamente un grifo en casa. Este fenómeno también se produce en tuberías y accesorios industriales, pero en este caso las dimensiones y las fuerzas suelen ser mucho mayores. Un caso de riesgo típico es la parada repentina de una bomba. Si bien esto cambia directamente la velocidad de flujo y la presión, a menudo también es responsable el reflujo del medio en las líneas de suministro y retorno. Si hay válvulas de retención o válvulas antirretorno en la línea, protegen la bomba del reflujo del medio. Sin embargo, ellas mismas pueden causar una onda de presión en el resto del sistema porque detienen bruscamente el flujo.
Cavitación
Otro problema menos conocido en los sistemas que transportan líquidos es la cavitación. Se produce cuando la presión de un líquido cae tan drásticamente que se forman burbujas de vapor. En cuanto la presión vuelve a subir, estas burbujas colapsan repentinamente en una implosión que provoca picos de presión masivos. El líquido fluye a gran velocidad hacia el espacio vacío creado por la repentina ausencia del gas. El líquido que fluye se detiene abruptamente por el líquido que fluye desde el otro lado y su energía cinética se convierte en una onda de presión que se propaga a través del sistema.
Este gráfico ilustra el principio de cavitación. A medida que un líquido fluye a través de una constricción, su velocidad aumenta, lo que hace que la presión caiga según la ecuación de Bernoulli. Cuando la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido, se forman burbujas de vapor. Una vez que pasa la constricción, la presión aumenta de nuevo, lo que hace que las burbujas colapsen abruptamente. Las burbujas de vapor pueden ser causadas por grandes fluctuaciones de presión, subpresión o vacío. A menudo se producen alrededor de componentes que se mueven rápidamente, como turbinas, hélices de barcos o impulsores de bombas de flujo. Esto se debe a que el fluido se aleja del componente y, por lo tanto, se somete a una fuerte aceleración local. Según la ecuación de Bernoulli, la presión estática disminuye a medida que aumenta la velocidad, y esto es lo que causa la formación de burbujas de vapor.
Cuando piensas en vapor, es posible que automáticamente pienses en vapor a altas temperaturas. Sin embargo, es importante recordar que el punto de ebullición también es más bajo a presiones reducidas. Aunque la cavitación puede producirse con mayor facilidad y sus efectos pueden verse amplificados a altas temperaturas, en realidad las fluctuaciones de presión son el aspecto más crítico. La cavitación puede producirse en líquidos a cualquier temperatura. Por el contrario, aumentar la presión puede evitar que se formen burbujas de vapor, incluso a altas temperaturas.
Por lo tanto, una regulación estable de la presión es vital para evitar la cavitación y aumentar la vida útil de los componentes. Incluso las pequeñas burbujas de vapor pueden provocar picos de presión increíblemente altos cuando colapsan, así como altas temperaturas en su entorno inmediato.
Separación de la columna de agua: golpe de ariete con efecto de cavitación
Uno de los mayores desastres para cualquier sistema de tuberías es la separación de la columna de agua, que se produce cuando se produce un golpe de ariete que provoca un grave efecto de cavitación en una gran superficie. Este fenómeno es responsable de muchas roturas catastróficas de tuberías en grandes centrales eléctricas y oleoductos.
Además del aumento de presión propiamente dicho, este tipo de golpe de ariete también genera un efecto de tracción en el otro lado del sistema. A medida que aumenta la presión en la dirección del movimiento del medio, ya que esta es la dirección de la energía cinética del medio, la presión disminuye correspondientemente en el otro extremo debido al efecto de “tracción” de la fuerza.
En casos extremos que involucran volúmenes relativamente grandes, la presión puede caer por debajo de la presión de vapor del líquido. Esto no solo provoca la formación de pequeñas burbujas de vapor en el medio, sino que también hace que secciones enteras de la tubería se llenen de vapor. Esta separación de la columna de agua es extremadamente peligrosa. Cuando el vapor colapsa y las corrientes de líquido se vuelven a encontrar, el resultado es una implosión extremadamente fuerte que prácticamente ningún sistema está diseñado para soportar. Los daños suelen ser catastróficos.
En la práctica, los sistemas de tuberías suelen ser mucho más complejos que una simple tubería recta con dos extremos. Por lo tanto, la separación de la columna de agua también puede ocurrir en otros puntos del sistema, como en curvas, ramificaciones, extremos de tubería cerrados o posiciones elevadas. Esta complejidad hace que sea mucho más difícil predecir la ubicación precisa y los impactos de tales efectos.
Medidas preventivas
Simulaciones
Los picos de presión se pueden calcular y predecir, pero esto se vuelve rápidamente complejo si se necesita un análisis preciso, ya que hay numerosos parámetros e interacciones que deben tenerse en cuenta. Aquí es donde entran en juego las simulaciones informáticas modernas como MATLAB (https://ch.mathworks.com/products/matlab.html).
En este caso, el sistema se reproduce virtualmente y se realizan simulaciones en diversas condiciones, como el cierre repentino de una válvula o la parada de una bomba. MATLAB trabaja con pequeños intervalos de tiempo y calcula cómo cambian la presión, la velocidad del flujo y otros parámetros a lo largo del tiempo durante el funcionamiento de un sistema. Esto permite predecir dónde y cuándo pueden producirse picos de presión.
Los resultados de la simulación se pueden utilizar para realizar optimizaciones específicas en el sistema. Con la información de los perfiles de presión simulados, se pueden planificar contramedidas adecuadas y se pueden equipar las secciones afectadas con dispositivos de seguridad. Esto significa que los picos de presión se pueden reducir desde el principio o se pueden mitigar los impactos más graves.
Los análisis informáticos pueden proporcionar resultados precisos siempre que estén configurados correctamente. El modelo debe contar con información correcta sobre el sistema, el medio utilizado y las posibles influencias externas. Solo así se puede garantizar que los resultados reflejen la realidad de forma fiable.
Componentes de protección
Aunque en la práctica es prácticamente imposible evitar por completo los picos de presión, sus efectos se pueden reducir significativamente mediante medidas específicas. Algunos de los métodos probados para absorber y mitigar los picos de presión incluyen el uso de amortiguadores de presión, reductores de presión, válvulas de cierre lento y muchos otros componentes de protección:
- Los reductores de presión reducen la presión del sistema a un nivel seguro para reducir la intensidad de los picos de presión. A menudo se utilizan en sistemas de tuberías e instalaciones industriales para evitar aumentos de presión incontrolados.
- Los amortiguadores de presión atenúan los picos de presión absorbiendo y liberando el exceso de energía. A menudo consisten en diafragmas elásticos o cámaras que contienen gas comprimible. Son especialmente eficaces en sistemas que transportan líquidos donde la masa y la incompresibilidad del líquido pueden amplificar los efectos de las ondas de presión.
- Las válvulas de cierre lento reducen los picos de presión causados cuando una válvula se cierra bruscamente ("golpe de ariete"). Utilizan sistemas de amortiguación para ayudar a que se cierren de forma más suave y constante.
- Las válvulas de seguridad se abren cuando se alcanza una sobrepresión específica y disipan el exceso de presión de forma controlada. Protegen los componentes del sistema, como tuberías, bombas y recipientes, contra daños debidos a la sobrepresión.
- Las válvulas de retención evitan que el líquido o el gas generen picos de presión no deseados debido al reflujo. A menudo actúan en conjunto con los sistemas de bombeo cuando el flujo se detiene abruptamente.
- Los acumuladores almacenan el exceso de líquido o gas en un sistema y lo liberan nuevamente cuando es necesario para compensar los picos de presión. Son particularmente útiles cuando se utilizan bombas pulsantes o sistemas altamente dinámicos.
- Los codos de tubería o las conexiones flexibles cambian intencionalmente el camino del flujo o reducen la rigidez de las tuberías para absorber los picos de presión.
Soporte de sistemas de sensores inteligentes
Los sensores como transmisores de presión o manómetros digitales son esenciales para proteger un sistema contra picos de presión. Permiten validar hipótesis y resultados de simulación y comprobar si los componentes de protección instalados están teniendo el efecto deseado. Cuando surgen problemas, suelen ser fundamentales para localizar las causas.
La monitorización continua de sensores en puntos críticos durante el funcionamiento ofrece numerosas ventajas. De este modo, se pueden registrar picos de presión en tiempo real y se pueden activar respuestas automáticas, como abrir o cerrar válvulas. Los fallos de los componentes del sistema y de los componentes de protección no solo se detectan directamente, sino que también se pueden prevenir en casos ideales. Los cambios en los datos a largo plazo pueden indicar desgaste y señalar pequeños defectos que se pueden reparar antes de que sea demasiado tarde.
Una monitorización eficaz requiere un sistema inteligente que avise automáticamente al personal responsable si algo parece anormal, por ejemplo a través de la red móvil, el correo electrónico o mediante una interfaz IoT y una aplicación en la nube. Esto garantiza un tiempo de respuesta rápido para minimizar los posibles daños.
Mantenimiento y servicio técnico
La selección y colocación cuidadosa de los componentes de protección, así como el mantenimiento y calibración regulares de todos los sistemas, también desempeñan un papel fundamental para minimizar los picos de presión y evitar daños.
Dispositivos de medición como herramientas para registrar y analizar picos de presión
Con nuestros transmisores de presión piezorresistivos, manómetros digitales y registradores y soluciones de software, ofrecemos las herramientas adecuadas para mediciones de presión precisas en sistemas cerrados y para registrar y analizar picos de presión.
Los sensores KELLER proporcionan datos precisos y tienen estabilidad a largo plazo, lo que los hace perfectos para la supervisión fiable del sistema y la detección de picos de presión. Las soluciones de software como el análisis de datos también son importantes para planificar medidas preventivas y optimizar el sistema.
Registro de presión
Un transmisor de presión piezorresistivo mide la tendencia de la presión, incluidos los picos de presión. Con una frecuencia límite de > 1 kHz, los transmisores de presión estándar de KELLER proporcionan la base para detectar picos de presión rápidos. La línea Y viene con 1 kHz de serie, la línea X para la salida de tensión de 3 hilos con > 1 kHz. Para mediciones aún más rápidas, el 21PHB está disponible con 20 kHz.
Visualización de datos
Los medidores digitales muestran los valores en tiempo real y guardan el valor máximo mostrado.
Análisis y optimización
El software analiza los datos para comprender los picos de presión y tomar medidas correctivas.
Resumen
Los picos de presión suponen un gran reto en muchas aplicaciones industriales. Sin embargo, pueden controlarse mediante una combinación de buena planificación, medidas preventivas y tecnología de medición de última generación. La supervisión y el análisis específicos ayudan a prevenir daños y a mejorar significativamente la seguridad operativa.
«Los sensores son esenciales para proteger un sistema contra picos de presión.»
Manuel Boller-Berger
Technical Product Manager
