PROLOGO

La teoría de mecánica de fluidos y de regulación utiliza desarrollo matemáticos

complejos no abordados en este texto, que pretende únicamente explicar las

diferentes formas de reducir la presión del gas distribuido utilizadas en la industria

del gas.

Recomendamos a aquellos que deseen profundizar en este tema consultar los

textos especializados de mecánica de fluidos.

INDICE

1.- GENRALIDADES

2.- ¿CÓMO REDUCIR LA PRESIÓN DE UN GAS?

3.- PRINCIPIOS DE LOS REGULADORES

4.- REGULADORES

4.1.- Reguladores de pesas

4.2.- Reguladores de muelles

4.3.- Reguladores de presión auxiliar

4.4.- Reguladores pilotados

5.- MONTAJE DE REGULADORES

Serie, paralelo y monitor

1.- GENERALIDADES

Las redes de distribución y transporte pueden transportar gas a presiones muy

diferentes: hasta 0,05 bar, 0,4 bar, 4 bar y más de 4 bar. Sin embargo el gas en el

momento de su utilización debe estar en unas condiciones de presión situadas en

un margen muy reducido.

El problema será, pues, reducir la presión del gas y mantenerla a un valor

constante para que los aparatos del usuario puedan funcionar correctamente.

2.- ¿COMO REDUCIR LA PRESIÓN DEL GAS?

Si tomamos el término "expansión" en su sentido literal, nos imaginamos

inmediatamente las moléculas de gas confinadas en un espacio reducido,

encontrándose bruscamente liberadas en un espacio mayor. Este principio puede

considerarse válido, pero no aplicable a nuestras redes. Vamos a ver por qué.

2.1. Este principio es una aplicación de la ley de Mariotte

P0 X V0 = P1 X V1

(Figura 1) - Supongamos que tenemos un recipiente de volumen V = 1 m3 que

contiene un gas a una presión P = 5 bar (absolutos).

Si queremos tener el gas a una presión Pi = 1 bar (absoluto), bastará con poner en

comunicación el primer recipiente con otro de forma que el volumen total Vi sea 5

veces mayor.

Sabiendo que el gas ocupa todo el volumen, tendremos:

P x V = P1 x V1 ; 5bar x 1 m3 = 1 bar x 5 m3

Se obtiene un descenso de presión. Sin embargo, este principio no es válido más

que en el caso en que la nasa de gas es constante. No se puede utilizar este

procedimiento en nuestras redes ya que tenemos un aporte y una emisión

continúa de lo que supone una variación permanente de la masa de considerada.

2.2. Para reducir la presión del gas, vamos a provocar caída de presión.

Sabemos que en las redes, las caídas presión denominadas "pérdidas de carga"

pueden ser provoc; por accidentes (obstáculos a la circulación normal del flu:

2.2.1. Supongamos que tenemos un tubo con gas a media pres al inicio y que

queremos gas a baja presión al final (Fie 2)

Figura 2

Si tenemos un caudal Q constante, podemos interponer en A obstáculo de

circulación que nos creará una caída de presión

ΔP = MP - BP

Pero en una red, el caudal es esencialmente variable. Ah bien, como queremos

BP estable, si suponemos MP estable s necesario AP = constante.

2.2.2. Obstáculo a la circulación variable

Se puede afirmar que existe una relación estrecha entre: caída de presión (ΔP), la

sección de paso (S) y el caudal (Q).

Si se debe mantener A P constante, en función de variaciones de caudal (Q) sólo

se podrá actuar haciendo variar la sección de paso (S).

El obstáculo de circulación de sección de paso variable más simple es la válvula

(Fig.3)

Figura 3

Para llevar el valor de la presión MP a BP, bastará actuar, en función de las

variaciones de Q, por medio el volante de la válvula, sobre la sección "s" vigilando

el manómetro M para mantener BP constante.

Este procedimiento de regulación se utiliza en emergencias o para trabajos en

carga en redes, para llevar la presión a un valor indicado en las normas de

seguridad.

3.- PRINCIPIO DE LOS REGULADORES

Hemos visto que la regulación del gas con una válvula es correcta, pero precisa la

presencia permanente de un operario para maniobrar-la. Es preciso encontrar un

sistema automático.

3.1. ¿Qué es lo que debe guiar la variación de la s ección de paso?

¡El valor de BP!. Es pues deseable hacer intervenir esta presión en el

funcionamiento del aparato.

Volvamos a la válvula de la figura 3, pero esta vez suprimamos el paso roscado y

reemplacemos el volante por una membrana (Figura 4)

Figura 4

Hemos visto anteriormente que la caída de presión tiene lugar en si paso entre el

obturador y su asiento.

Tenemos pues que bajo la membrana actúa la presión BP.

La fuerza resultante R de esta presión BP tendrá un valor igual a BP x S (siendo s

la superficie de la membrana)

Para equilibrar esta fuerza R, bastará ejercer en sentido opuesto una fuerza F = R

por encima de la membrana.

Si F es constante, R será constante, cualquiera que sea la abertura del obturador

y por consiguiente BP será constante.

3.2. Analizando el sistema, se observa que, para un determinado valor de Q se

tendrá una determinada abertura del obturador.

- Si Q aumenta para esta misma abertura, P aumenta y B? disminuye

- Si BP disminuye, R disminuye también y no habrá ya equilibrio entre R y F

constante; la membrana y el obturador descenderán.

Esto tendrá por efecto aumentar la sección de paso y por consi-guiente disminuir

la pérdida de carga y aumentar el valor de BP hasta que su fuerza resultante R

sea de nuevo igual a F.

Tendremos una nueva posición de equilibrio del obturador y de la membrana.

- Ocurrirá lo mismo, pero invirtiendo las reacciones, si el caudal disminuye.

Q disminuye - A P disminuye - BP aumenta

R aumenta - F constante - desequilibrio.- La membrana y el

obturador suben hasta que P vuelve a su valor original.

3.3. ¿Por qué medios podemos ejercer la fuerza cons tante sobre la

membrana?

- Por acción de una masa

- Por acción de un muelle

- Por una presión que proporcione F = R

4 - REGULADORES

Llamamos a estos aparatos reguladores ya que hemos visto que queríamos una

presión de salida estable (de aquí REGULACIÓN); también hemos visto que esta

regulación no puede efectuarse sin expansión.

4.1. Reguladores de pesas

Figura 5

Ecuaciones de fuerzas

Presión = ������

��������

P = N/m3 = Pascal

F = Newton

S = m2

P = ��; de donde: F = P x S

4.1.1. Cálculo simplificado

¿Cómo determinar el valor de la masa?

Se tiene:

S = Superficie de la membrana cuyo = 0,60 m

G = Fuerza ejercida por: M + masa de la parte móvil (obturador – vástago –

membrana)

Pc = Presión de salida deseada

Según lo visto anteriormente, puede escribirse:

G = Pc x S

Si reemplazamos las variables por su valor, se tendrá:

Pc = 11 mbar = 1100 Pa = 1100 N/m2

� ���

4 = 3,14�0,60�0,604 = 0,2826��

Aplicando la fórmula:

� = 1100 ��� �0,2826���0,2826�� = 310,86�

Luego de la fuerza desarrollada por 1Kg es 9,81 N. Nos hará falta, pues, una

masa de:

310,869,81 = 31,700"#

Si la parte móvil pesa 18 Kg, se tendrá:

$ = 31,700"# − 18"# = 13,700"#

$ = 13,700"#

Podemos, pues, calcular de una forma muy simple la masa a añadir sobre la

membrana en función de la presión de salida.

4.1.2. Ecuación de fuerzas

Pe = Presión de entrada (efectiva)

Pc = Presión controlada (efectiva)

En posición de equilibrio, vemos que las fuerzas ascendentes igualan a las fuerzas

descendentes, es decir: ΣF descendente = ΣF ascendente.

Se tiene pues:

'( + '� = '* + '+

Dónde: '( = ,$ + -.#

F2 = Pc x s

F1 = Pc x S

F4 = Pe x s

M = Masa de la carga

m = Masa de la parte móvil

(Obturador + vástago + membrana

g = Aceleración de la gravedad

Pc = Presión controlada (efectiva)

s = Superficie del obturador

Pc = Presión controlada

S = Superficie de la membrana

Pe = Presión de entrada (efectiva)

s = Superficie del obturador

'( + '� = '* + '+

Calculemos '(

'( = '* = '+ + '�

,$ +�.# = ,/0��. + ,/1�2. − ,/0�2.

,$ +�.# = ,��/0. + 2,/1 − /0.,1.

En la ecuación (1) se puede constatar que a medida que la presión de entrada

aumenta, debe aumentar M.

$ = 3��/0 + 2,/1 − /0# 4 − �

Aplicación

Pe = 4 bar Pc = 20 mbar

- El diámetro de la membrana es igual a 60 cm

- El diámetro del opturador es igual a 6 cm

- La masa de la parte móvil de la membrana y del obturador es igual a m =

5kg

Cálculo de la masa M

Pe = 4 bar = 400.000 Pa ; m = 5kg

Pc = 20 mbar = 2.000 Pa

- Superficie de la membrana: = 0,60 m.

� = ���

4 = 3,14�0,6�0,64 = 0,28��

$ = ,��/0. + 2,/1 − /0.# − �

$ = ,0,28�2000. + 0,0028,400.000 − 2000.9,81 − 5

$ = 560 + 11449,81 − 5

$ = 16749,81 − 5

$ = 170 − 5

$ = 165"#

Esta masa sería excesivamente elevada sobre la membrana de un regulador, nos

hace falta encontrar medios para reducirla.

Si observamos todas las variables que influyen sobre nuestro aparato, vemos que

la presión de entrada Pe ejerce una acción bajo el obturador cuyo valor es F = Pe

x s siendo s la superficie del obturador = 0,0028 m2.

Si se considera el caso de la figura 5, se tiene:

Pe = 4 bar = 400000 N/m2

Se tiene pues:

F = 400.000 N/m2 x 0,0028 m2 = 1120 N

Se observa que F > G, por consiguiente nuestro regulador esta siempre en

posición cerrado.

Es preciso anular la fuerza F por medio de una fuerza opuesta F1 = F.

La presión de entrada puede ser variable. Vamos a hacer que acción se anule ella

misma.

4.1.3. Anulación de la acción de la presión de entr ada sol el obturador

Figura 6

Doble obturador (Figura 6)

Vemos que si disponemos de 2 obturadores de igual superficie, el valor F de la

acción de la presión de entrada Pe sobre el obturador superior se anula por el

valor F1 de la acción de la presión de entrada Pe sobre el obturador inferior; al ser

F y F1 iguales y opuestas, la resultante es nula.

Obturador y membrana compensadora

Figura 7

El principio es el mismo que para el caso de la figura 6, pero la fuerza 6 se aplica

sobre una membrana compensadora de superficie igual a la del obturador.

Es preferible este segundo principio pues es muy difícil de obtener una

estanquidad perfecta con un doble obturador.

NOTA

Para dar más claridad a las figuras en los sistemas siguientes, consideraremos

que se ha eliminado la acción de la presión de entrada sin representar sobre los

esquemas el sistema utilizado.

4.2. Reguladores de muelle

Figura 8

4.2.1. El principio de funcionamiento de estos reguladores (Figura 8) es idéntico

al de los reguladores de pesas.

La fuerza aplicada sobre la membrana es proporcionada por ur. muelle en lugar de

un peso.

Existe un tornillo de tarado del muelle que permite variar er. escasa medida la

fuerza ejercida por el mismo.

Si el cambio de régimen de presión de salida es importante, hay que cambiar el

muelle.

4.2.2. Inconvenientes

Al ser variable la fuerza ejercida por un muelle en función de su grado de

compresión, tenemos variaciones pequeñas del valor de la presión de salida,

como consecuencia de la posición de la membrana.

- Presión menor a caudal máximo (horas punta)

- Presión mayor a caudal mínimo (horas de menor consumo)

4.3. Reguladores de presión auxiliar

En este tipo de reguladores, el equilibrio de la presión de salida se mantendrá por

medio de una presión auxiliar, tornada antes del regulador principal y estabilizada

por un regulador secundario.

Figura 9

4.3.1. Funcionamiento (Figura 9)

Para reemplazar la acción de las pesas o de los muelles, un regulador auxiliar

suministra una presión auxiliar Pa. Para que esta presión sea estable, se debe

crear un pequeño caudal de fuga, regulado por una válvula.

Nota: Para que la presión Pe no llegue a la parte superior de la membrana, es

preciso que Pa > Pc.

4.4. Reguladores pilotados

• Generalidades

Se componen de un prepiloto, un piloto y un regulador-principal .

• Prepiloto

Función; A partir de una presión de entrada (Pa), alimenta el piloto a una presión

constante (Pmc) . Es un regulador pequeño. Su tarado se efectúa por medio de

pesas o de muelle.

• Piloto

Función: Efectúa el tarado de la membrana del regulador principal por medio de

una presión modulada (Pam) teniendo en cuenta las variaciones de la presión

controlada (Pc).

• Regulador

Función: Alimenta la red a una presión de salida constante (Pc), cualesquiera que

sean las variaciones de caudal.

• Nota: Diferencias entre piloto y prepiloto

- Internas: El piloto posee un tabique estanco que separa la Pam de la Pc.

- Externas: El piloto tiene siempre un mayor número de conexiones que el

prepiloto.

4.4.1. Reguladores de carga pilotada con descarga c onstante

Figura 10

4.4.1.1. Funcionamiento

El caudal Q aumenta - Pc disminuye y, trasmitida por la toma de impulsión, hace

que la membrana del piloto descienda y su obturador se abra, la Pam aumenta. La

membrana del regulador principal baja, su obturador abre, Pe aumenta.

El caudal Q disminuye - Pe aumenta y, trasmitida por la toma de impulsión, hace

que la membrana del piloto asciende y su obturador se cierre, la Pam se evacúa

por el caudal de fuga sobre la Pc. El obturador del regulador principal se cierra

bajo la acción del muelle, Pc disminuye.

4.4.2. Reguladores de carga pilonada con descarga v ariable

4.4.2.1. Funcionamiento

El caudal Q aumenta - Pc disminuye y, trasmitida por la toma de impulsión, hace

que la membrana del piloto descienda, el obturador (1) cierra el caudal de fuga, el

obturador (2) abre, la Pam aumenta. La membrana del regulador principal baja, su

obturador abre, Pc aumenta.

El caudal Q disminuye - Pc aumenta y, trasmitida por la toma de impulsión hace

que suba la membrana del piloto, el obturador (2) cierra, el obturador (1) abre y

descomprime la parte superior de la membrana del regulador principal, la Pam

disminuye. La membrana del regulador principal y su obturador suben y Pc

disminuye.

4.4.3. Reguladores de descarga pilotada (Figura 11)

Figura 11

4.4.3.1. Funcionamiento

El caudal Q aumenta - Pe disminuye y, trasmitida por la toma de impulsión hace

descender la membrana del piloto, el obturador del piloto se abre y abre el

conducto de fuga. El obturador (2) del regulador auxiliar se abre. La presión sobre

la membrana del regulador principal disminuye. Al ser Pe más alta, la membrana

obturador se eleva y el regulador deja pasar gas ya que el caudal de alimentación,

limitado por la válvula (4) es inferior al caudal generado por la apertura del piloto y

del regulador auxiliar.

El caudal Q disminuye - P.c aumenta y, trasmitida por la toma de impulsión, hace

que la membrana del pilote ascienda, el obturador (1) cierra el caudal de fuga, el

obturador (2) cierra. La presión por encima de la membrana se equilibra con la Pe.

La membrana obturador se cierra.

5. MONTAJE DE LOS REGULADORES

5.1. Montaje en serie o en cascada

5.2. Montaje en paralelo

5.3. Montaje MONITOR

a) Montaje MONITOR

Figura 13

El montaje está constituido por 2 reguladores tarados para dar presiones

diferentes.

El regulador 1 está tarado a una presión inferior a la del 2, pero la presión que

actúa bajo la membrana del regulador 2 se toma a la salida del 1.

b) Funcionamiento

Supongamos que el regulador 1 esté tarado para dar una presión de 20 mbar y

que el regulador 2 lo esté para una presión de 24 mbar.

En marcha normal, la presión de salida del conjunto será de 20 mbar. A través de

la toma de impulsión, la presión bajo la membrana del regulador 2 será de 20

mbar. Al estar éste tarado para 24 mbar, estará totalmente abierto y solo trabajará

el regulador 1.

Si, por algún incidente en el regulador 1, la presión sube a la salida del conjunto,

cuando alcance los 24 mbar, el regulador 2 comenzará a regular y la presión de

salida no excederá este valor.

c) Ventajas

El regulador 2 efectúa el papel de válvula de seguridad pero tiene una gran

ventaja sobre ésta en el hecho de no interrumpir el paso de gas, pero limita su

presión a un valor superior a la de funcionamiento normal, manteniendo aquella a

un valor admisible.

ES DE RECHANGE

Nbro Designation Rep. Nbro Designation

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

10 12 12

1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1

Corps préparé (1) Siége Joint tonque 18,2 x 1,7 Clapet equilibré (joint et vis compris) Joint de clapet (2) Vis de clapet Vis de serrage du clapet Douille de guidage du clapet Poussoir du clapet Coquille inférieure régulation Bague de guidage du poussoir Joint torique 30x3 Coupelle inférieure du ressort Plateau de membrane Coquille supérieure régulation Vis HM 5 x 20

Rondelle ∅ 5 Ecrou H M 5 Ressort de régulation Vis de tarage Bouchon Vis H M 5 x 45 Levier Tige de membrane Rivet Ecrou frein M5 Goupile élastique 4,5 x 16 Axe d’articularon Joint plat Membrane antipompage Corps d'antipompage Vis HM 5 x 12

Bague BS ∅ 6 Butée á aiguilles AX 60.40 Coupelle supérieure de ressort Joint torique 30 x 3

37 39 40 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 12 12 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Joint torique 6,07 x 1,78 Vis Chc á cuvette M 6 x 10 Membrane de régulation Bloc sécurité (3) Coquille inférieure équipée Porte membrane équipé Coquille supérieure Axe Bouchon Entretoise Vis de tarage du maxi Ressort de tarage maxi Ressort de tarage mini Vis H M 6 x 10

Rondelle ∅ 6 Ecrou H M 6

Anneau Truarc ∅ 6 Ressort de clapet Butée de clapet Goupille élastique 2,5 x 16 Butée

Bifle ∅ 6 Clapet Vis de réglage Cage du ressort mini Vis de tarage du mini Goupille élastique 1,5 x 10 Butée pour maxi seul Membrane Rondelle antifriction Maxi Rondelle antifriction Mini Rondelle de centrage ressor Maxi Coupelle de membrane Ecrou de membrane Bille Obturateur du corps (sans sécurité)

es de premiére maintenance sont repérées en caractéres gras.

commandes de piéces de rechange, l'indication du numéro de l'appareil est indispensable pour toutes les

ont le repére est précédé du signe*.

rps est normalement fourni avec raccord d'entrée sphéroconique D 25 et pour sortie á joint plat gaz D 50.

ande, avec entrée taraudée 1" Gaz sans raccord et sortie taraudée 1 ½ Gaz.

ertains appareils, le joint de clapet n'est pas démontable; il est nécessaire au premier échange de rempla

emble du clapet equilibré (4).

ser Maxi et Mini ou Maxi seul avec les valeurs de tarage.