ES2893248T3 - Sistema de tuberías para fluidos - Google Patents

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Abstract

Un sistema (10) de riego para suministrar y controlar un caudal de agua de riego a partir de un canal (12) abierto hacia una red de tuberías alimentada por gravedad, incluyendo dicho sistema un sistema de gestión de la demanda para monitorear el caudal de agua en dicha red de tuberías y una bomba (34) para aumentar dicho caudal de agua cuando dicho sistema de gestión de la demanda determina que es necesario un aumento del caudal de agua, incluyendo además dicha red de tuberías al menos una tubería (20) principal que tiene al menos una entrada (18) desde dicho canal (12) abierto a dicha red de tuberías alimentada por gravedad, dicha al menos una tubería (20) principal incluye además al menos una compuerta (22) de control de agua que se puede mover entre las posiciones de apertura y cierre bajo el control de dicho sistema de gestión de la demanda, y una tubería (30) de derivación que conduce a dicha al menos una tubería (20) principal en un extremo y que se abre a una fuente de agua (12) para ser bombeada en el otro extremo, en el que dicha bomba (34) en dicha tubería (30) de derivación fuerce el agua bajo presión hacia dicha al menos una tubería (20) principal en dicho modo de bombeo y dicho sistema de gestión de la demanda cierra dicha al menos una compuerta (22) de control de agua a la vez que dicha bomba (34) está en dicho modo de bombeo.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de tuberías para fluidos
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de tuberías para fluidos y se refiere particularmente, pero no de manera exclusiva, al control del caudal en un sistema de tuberías de riego alimentado por gravedad.
Antecedente de la invención
Tradicionalmente, las redes de fluido de las tuberías están energizadas por una fuente tal como una bomba. La energía suministrada por la bomba a menudo se encuentra en una cabeza de presión que garantiza el rendimiento hidráulico del sistema, cuyos flujos y presiones requeridos se acomodan más que adecuadamente. Estos sistemas a menudo se diseñan con el criterio de que los niveles de presión deben estar por encima de los requisitos máximos de diseño. Por otro lado, las tuberías de baja energía o alimentadas por gravedad, necesitan operar dentro de la capacidad de una cabeza de presión de suministro limitado. Como se describe en la Solicitud de Patente Internacional PCT/AU2012/000907 el uso de un sistema de gestión de la demanda en combinación con un control en tiempo real se describe permitiendo la gestión estricta de la demanda para garantizar que el sistema funcione dentro de la cabeza de presión de suministro, pero sin superarlo. El uso de un medidor de flujo combinado y un miembro de la válvula bifurcada como se describe en la Solicitud de Patente Internacional PCT/AU2012/000328,proporciona una configuración que permite uno o más puntos de suministro como salidas de la red de tubos. Estos puntos de suministro pueden entonces conectarse a un sistema SCADA (Control de Supervisión y Adquisición de Datos) de monitorización en tiempo real (flujo y apertura de válvula) y de control (funcionamiento de la válvula) similar en funcionamiento al descrito en la Patente de los Estados Unidos número 7,152,001. Se espera que las condiciones de la cabeza para los puntos de suministro y entrega de la red de tubos estén sujetas a alguna variación.
La patente de los Estados Unidos número 4,200,911 a nombre de Matsumoto Kuniaki divulga un procedimiento y un aparato para la distribución de suministro de agua a los consumidores. En los nodos seleccionados de una red a partir de la cual se suministra agua a los consumidores, se mide el consumo real de agua para detectar un patrón estándar de demanda de agua en cada área seleccionada. A continuación, se determinan los patrones de demanda previstos para todos y cada uno de los nodos comparando las características o atributos de cada área con los de las áreas que tienen patrones de demanda estándar. En tercer lugar, las variables manipuladas de las bombas y válvulas instaladas en la red de tuberías se controlan en base a los patrones de demanda previstos.
Objetos de la invención
Es un objeto de la invención proporcionar un procedimiento y un sistema para tener la capacidad de controlar los flujos en las salidas con el fin de gestionar dentro de las condiciones de cabeza limitada y evitar cualquier interacción compuesta de estas variaciones de la cabeza.
Otro objeto de la invención es proporcionar un procedimiento y un sistema en el que las tuberías puedan funcionar por gravedad y puedan ser asistidas para satisfacer demandas de presión adicionales.
Sumario de la invención
La presente invención, en un aspecto, proporciona un procedimiento de control del caudal en una red de tuberías alimentadas por gravedad o presurizadas para fluidos, dicho procedimiento incluye las etapas de monitorización del caudal de fluido en dicha red de tuberías y el aumento de dicho caudal de fluido cuando dicha etapa de monitorización determina que se requiere un aumento en el caudal de fluido.
Preferentemente se proporciona una bomba en dicha red de tuberías, siendo dicha bomba conmutable entre los modos de bombeo y no bombeo por un sistema de gestión de la demanda que proporciona dicha monitorización del caudal de fluido en dicha red de tuberías.
En una realización preferente, se proporciona al menos una compuerta de control de fluido en una entrada de dicha red de tuberías, siendo dicha al menos una compuerta de control de fluido movible entre las posiciones de apertura y cierre bajo el control de dicho sistema de gestión de la demanda.
En una realización práctica, dicha bomba es una bomba de tipo tornillo de Arquímedes en dicha red de tuberías que permite que el fluido fluya a través de ella cuando dicha bomba está en el modo de no bombeo.
En otro aspecto preferente de la invención, dicha red de tuberías incluye al menos una tubería principal y una tubería de derivación que conduce a dicha al menos una tubería principal en un extremo y que se abre a una fuente de fluido para ser bombeada en el otro extremo, dicho procedimiento incluye además las etapas de instalación de dicha bomba en dicha tubería de derivación para permitir que dicha bomba fuerce el fluido bajo presión hacia dicha tubería principal en dicho modo de bombeo.
Preferentemente, dicho sistema de gestión de la demanda cierra dicha al menos una compuerta de control de fluido a la vez que dicha bomba está en dicho modo de bombeo.
En otro aspecto de la invención se proporciona un sistema de control del caudal en una red de tuberías alimentada por gravedad o presurizada para fluidos, dicho sistema incluye un sistema de gestión de la demanda para monitorear el caudal de fluido en dicha red de tuberías y una bomba para aumentar dicho caudal de fluido cuando dicho sistema de gestión de la demanda determina que se requiere un aumento del caudal de fluido.
Breve descripción de los dibujos
La estructura y las características funcionales de las realizaciones preferentes de la presente invención se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada cuando se tome en conjunto con los dibujos adjuntos, en los cuales: -La Figura 1 es una vista en sección transversal parcial en perspectiva de un sistema de riego de acuerdo con una primera realización de la invención, que muestra una compuerta de descarga inferior con la compuerta abierta y que muestra el flujo de agua a través de la compuerta en el estado sin presión;
La Figura 2 es una vista similar a la de la Figura1 con la compuerta de descarga inferior cerrada y que muestra el flujo de agua en estado presurizado;
La Figura 3 es una vista en sección transversal parcial en perspectiva de un sistema de riego de acuerdo con una segunda realización de la invención, que muestra una compuerta i de descarga inferior con la compuerta abierta y que muestra el flujo de agua a través de la compuerta en el estado sin presión;
La Figura 4 es un gráfico de la cabeza de presión frente al tiempo de funcionamiento del sistema de riego.
Descripción de las realizaciones preferentes
Las realizaciones describen la configuración de una red de tuberías para explotar situaciones en las que existe una cabeza de presión disponible limitada que suministra agua a la red y en las que las tuberías funcionan por gravedad y son suministradas por depósitos, tal como un sistema de canal abierto. La invención no se limita a entornos en los que las tuberías funcionan por gravedad, ya que también es aplicable a redes de tuberías bombeadas o presurizadas. La Figura1 muestra un sistema 10 de riego que tiene un canal 12 principal abierto para el flujo de agua por gravedad. El canal 12 abierto tiene paredes laterales en ángulo, de las cuales sólo se muestra una 14. El agua fluye en la dirección de la flecha 16 y entra en una o más entradas 18. La entrada 18 se abre en una tubería 20 a través de la compuerta 22 de descarga inferior y el dispositivo 24 de medición de flujo. El dispositivo 24 de medición de flujo es opcional, ya que los flujos pueden medirse en otros lugares del sistema 10 de riego. La construcción y el funcionamiento de la compuerta 22 de descarga inferior y del dispositivo 24 de medición de flujo se describen completamente en las Figuras 28 a 36 de la Solicitud Internacional de Patente número PCT/AU2010/001052. Es preferente este tipo de compuerta, ya que incluye sellos dobles, como se ha descrito, los cuales proporcionan una barrera al flujo en ambos lados de la hoja 26 de la compuerta. Es evidente para el experto en la técnica que la invención no se limita a una tal construcción de compuerta y que podrían utilizarse otros tipos de compuertas. El agua entra en la entrada 18 y fluye a través del dispositivo 24 de medición de flujo y la compuerta 22 de descarga inferior para salir a través de la tubería 20. La salida 28 está típicamente acoplada a una tubería 29 adicional y la tubería 29 tiene puntos 33 de suministro a lo largo de su longitud para la distribución de agua a los consumidores. Cada punto 33 de suministro incluiría preferentemente un medidor de flujo combinado y un miembro de la válvula bifurcada (no se muestra) como se describe en la Solicitud de Patente Internacional número PCT/AU2012/000328. Tal medidor de flujo inmediatamente antes de la válvula bifurcada es posible debido al perfil de velocidad simétrico creado por el miembro de la válvula bifurcada. Estas válvulas son un medio rentable tanto para controlar como para medir el flujo con una pérdida de cabeza mínima, lo cual es critico en estas aplicaciones de baja cabeza. La pérdida de cabeza del fluido a través de un accesorio de tubería puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
h = K x v2 / 2g
donde
h = pérdida de presión en términos de cabeza del fluido, es decir, pérdida de cabeza del fluido
K = factor “K” publicado por el fabricante para el accesorio
v = velocidad del fluido
g = aceleración debida a la gravedad
La válvula y el medidor combinados tienen una baja pérdida de energía ya que (i) se adaptan a tubos de gran diámetro, por lo tanto, de gran área de sección transversal; y por lo tanto de baja velocidad; y (ii) un bajo factor K debido a las características hidráulicas del diseño de la válvula.
Los puntos 33 de suministro pueden entonces conectarse a un sistema SCADA de monitorización en tiempo real (flujo y apertura de válvula) y de control (funcionamiento de la válvula) (no se muestra), similar en funcionamiento al descrito en la Patente de los Estados Unidos número 7,152,001 y un sistema de gestión de la demanda (no se muestra) del tipo descrito en la Solicitud de Patente Internacional PCT/AU2012/000907. Como se ha descrito anteriormente en la Patente de los Estados Unidos número 7,152,001 un modelo de la tubería se ajustaría utilizando los datos del sistema SCADA utilizando la técnica de identificación de Sistemas también descrita en la Patente de los Estados Unidos número 7,152,001.
Típicamente, el suministro de agua por gravedad a lo largo del canal 12 abierto satisfará gran parte de la demanda requerida de la tubería 20. Sin embargo, durante los pequeños periodos de pico se requiere una cabeza de presión adicional. Una tubería 30 se abre en la tubería 20 en 31 para proporcionar agua presurizada cuando sea necesario. La tubería 30 tiene una entrada 32 que se abre en el canal 12 abierto por debajo del nivel del agua. Una bomba 34 de elevación de baja cabeza puede inyectar directamente agua presurizada en la tubería 30 con el lado 32 de succión de la bomba que toma agua a partir del canal 12 abierto con el lado de entrega de la bomba conectando a la tubería 20 de baja energía a través de la conexión en 31 a la tubería 20. La compuerta 22 actuará como un dispositivo de control de flujo cuando funcione bajo el modo de suministro por gravedad, como se muestra en la Figura 1. La hoja 26 de compuerta cerraría la entrada 18 de la tubería, como se muestra en la Figura 2, cuando la bomba 34 funciona, asegurando que la presión de la bomba se mantenga en las tuberías 20, 30. No entrará agua en la tubería 20 a través de la compuerta 22. La compuerta 22 tiene la capacidad de actuar como una barrera de sellado a la presión de ambos lados de la hoja 26 de la compuerta debido al mecanismo de doble sello como se describió anteriormente. La bomba 34 dejará de funcionar cuando el sistema de gestión y control de la demanda determine que la demanda ha pasado y la hoja 26 de la compuerta se levantará para que el flujo de agua sólo se produzca a través de la tubería 20.
La realización que se muestra en la Figura 3 es similar a la realización que se muestra en las Figuras1 y 2 pero se simplifica con la omisión de la tubería 30 y la bomba 34. La inclusión/inserción de un mecanismo 36 de bomba de tornillo axial dentro de la tubería 20. El concepto de tornillo axial es equivalente al concepto conocido de “tornillo de Arquímedes” y se utiliza comercialmente en las bombas de elevación axial. El mecanismo 36 de tornillo está situado axialmente dentro de la tubería 30 y está conectado a un motor 38 eléctrico. Es preferente que el motor 38 esté directamente acoplado a, y en línea con el árbol 40 de transmisión axial del tornillo. El motor 38 estaría sellado para evitar la entrada de agua. En el modo de suministro por gravedad, el mecanismo 36 de bomba de tornillo “giraría libremente” con una resistencia mínima y, por lo tanto, una pérdida mínima de energía por gravedad. En el modo de bombeo activado, el motor impulsaría el mecanismo 36 de tornillo, lo cual a su vez resultaría en una energía y presión añadidas al agua en la tubería 20 antes del mecanismo 36 de bomba de tornillo.
El funcionamiento de los sistemas mostrados en las Figuras 1 a 3 se muestra en el gráfico de la Figura 4. El gráfico muestra que la demanda de la mayor parte del tiempo puede satisfacerse a partir de la cabeza de presión del suministro por gravedad, como indica la línea 42. Si la demanda excede la cabeza de presión de suministro por gravedad indicada por el punto de estancamiento indicado por la línea 44, la opción es reprogramar la demanda para que no exceda la cabeza de presión por gravedad, o de manera alternativa, invocar los sistemas 34, 36 de bombeo para este período de tiempo. El efecto de la invocación de los sistemas 34, 36 de bombeo se muestra en la línea 46. El tiempo de funcionamiento se indica con las flechas 48 en la línea de tiempo del gráfico. Esta opción también puede presentarse a un usuario del sistema en el que se podría cobrar una tarifa más alta si se seleccionara la opción de la bomba.
La presente invención describe un sistema combinado de tuberías por gravedad y presurizadas en el que el suministro de presión bombeada es un complemento del sistema de gravedad y sólo se invoca cuando se requiere una cabeza de presión adicional. El sistema de gestión y control de la demanda garantiza el funcionamiento deseado de la instalación de bombeo auxiliar sólo durante los requisitos de picos prescritos.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema (10) de riego para suministrar y controlar un caudal de agua de riego a partir de un canal (12) abierto hacia una red de tuberías alimentada por gravedad, incluyendo dicho sistema un sistema de gestión de la demanda para monitorear el caudal de agua en dicha red de tuberías y una bomba (34) para aumentar dicho caudal de agua cuando dicho sistema de gestión de la demanda determina que es necesario un aumento del caudal de agua, incluyendo además dicha red de tuberías al menos una tubería (20) principal que tiene al menos una entrada (18) desde dicho canal (12) abierto a dicha red de tuberías alimentada por gravedad, dicha al menos una tubería (20) principal incluye además al menos una compuerta (22) de control de agua que se puede mover entre las posiciones de apertura y cierre bajo el control de dicho sistema de gestión de la demanda, y una tubería (30) de derivación que conduce a dicha al menos una tubería (20) principal en un extremo y que se abre a una fuente de agua (12) para ser bombeada en el otro extremo, en el que dicha bomba (34) en dicha tubería (30) de derivación fuerce el agua bajo presión hacia dicha al menos una tubería (20) principal en dicho modo de bombeo y dicho sistema de gestión de la demanda cierra dicha al menos una compuerta (22) de control de agua a la vez que dicha bomba (34) está en dicho modo de bombeo.
2. El sistema de riego de la reivindicación 1, que incluye además un medidor (24) de flujo a lo largo de dicha al menos una tubería (20) principal.
3. El sistema de riego de la reivindicación 1 o 2, en el que dicha compuerta (22) de control de agua es una compuerta de descarga inferior.
4. El sistema de riego de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que incluye además puntos (33) de suministro de riego a lo largo de la longitud de una tubería (29) adicional acoplada a dicha al menos una tubería (20) principal para la distribución de agua de riego a los consumidores.
5. El sistema de riego de la reivindicación 4, en el que cada uno de los puntos (33) de suministro tiene un medidor de flujo combinado y un miembro de válvula bifurcada.
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