Reguladores de presión

Study on Hydraulic Machine-2 de Enric Martinez bajo una licencia Creative Commons

Muchas veces la complejidad de por ejemplo una máquina, empresa, o problema, puede dividirse en un conjunto de elementos más simples y numerosos, que a su vez están compuestos también de elementos aun más simples. A veces nos olvidamos de la importancia de estas piezas fundamentales, que han ido puliendo silenciosamente, su funcionalidad, fiabilidad, su calidad y su economía a lo largo de su existencia.

Y podríamos hablar de la rueda, de un botón de un teclado, del álabe del reactor de un avión, en definitiva de cualquier componente simple de un todo más complejo. Y hoy le ha tocado al regulador de presión.

Un regulador de presión es una pieza, normalmente metálica, con una membrana y un muelle, cuyo fin es dejar pasar un fluido a una presión constante. Punto.

Su funcionalidad es sencilla, pero su diseño tiene más "chicha". Un regulador de presión por dentro es tal como sigue.

Visto así, con la pieza seccionada "a pelo", uno no entiende nada de nada, así que iremos por partes.

Imaginemos que queremos inyectar aire a presión que será la fuerza motriz de una máquina. Esa máquina se compone de unos mecanismos diseñados para una presión nominal, es decir, a una presión determinada y fija, de igual modo a todo lo que nos rodea: lavadora (con su carga de ropa óptima), un enchufe de toda la vida (que está diseñado para 16 amperios máximo), etc.

Supongamos que éstos mecanismos funcionan todos a una presión de 20 bar. Para conseguir esa presión necesitamos un compresor, es decir un motor (como el que suena cuando la nevera "funciona"). Sin embargo si la demanda de flujo comprimido es considerable el motor tendría que estar todo el rato encendiéndose y apagándose. Además, los motores tienen también su par y su velocidad óptimas, en las que el rendimiento es máximo. Si queremos hacer un buen diseño no podemos dejar que el compresor trabaje constantemente ya que su vida útil se acortaría y su consumo se elevaría. Lo ideal seria ir almacenando el aire comprimido en un depósito (con un grosor suficiente para que aguante la presión) e ir utilizándolo a medida que lo necesitásemos.

Como decíamos era necesaria una presión de 20 bar, así que llenamos el depósito hasta llegar a una presión de 20 bar. El problema es que al cabo de 10 segundos de usar el aire el depósito habrá perdido presión (ya que el volumen es constante), y la máquina se parará.

Si aumentamos la presión hasta 200 bar tendremos presión de sobra para que se pueda ir "desinchando" pero nos cargaremos la máquina. Y aquí llega nuestro "protagonista" el regulador de presión (alias reductor de presión).

Si miráis el esquema de abajo veréis que hay dos zonas una azul oscuro donde la presión es de 200 bar en nuestro ejemplo y que llamaremos zona de alta presión. La otra, azul claro, tiene una presión de 20 bar (la llamaremos zona de baja presión). Estas dos zonas están separadas por una válvula (en el esquema se llama poppet).

Lo que pone Diaphragm es una membrana circular (normalmente) de goma, esa membrana se "hincha" como un globo a medida que la presión aumenta. Esa membrana va unida a un muelle (me refiero al más grande, el pequeño imagina que no está) que como todos los muelles, cuanto más lo comprimes más fuerza ejerce.

Supongamos que la membrana tiene una superficie de 10 cm², y que el muelle tiene ejerce una fuerza de 20kg por cada milímetro que se comprime.

Si el regulador está bien regulado, cuando la presión de la zona azul claro llega a los 20 bar la membrana hace una fuerza de F=20bar x 10cm²=200kg así que el muelle se comprimirá 200/20=10mm= 1 cm y la válvula quedará pegada al agujero impidiendo el paso de aire de alta presión.

En el momento que la presión de la zona de baja presión quede a un valor de, por ejemplo, 18 bar la fuerza de la membrana quedará reducida a F=18*10=180kg, y el muelle estará solamente 180/20=9mm, quedando la válvula ligeramente abierta y permitiendo el paso de algo de fluido de alta presión que volverá a hinchar la zona de baja presión hasta que la fuerza de la membrana y del muelle se igualen.

Si el consumo se disparase de tal manera que la presión de la zona de baja presión cayera hasta los 16 bar, el muelle se comprimiría aun menos (sólo 8mm) y la válvula se abriría aun más haciendo que la presión se recuperase más rápido.

Y todo esto en todo momento, totalmente automático y autónomo, sin ninguna electrónica que demandase unas pilas que habría que cambiar cada cierto tiempo.

Estas piezas están por todos lados, en nuestra casa también hay algún que otro regulador de presión.

El capuchón de las bombonas de butano, sin ir más lejos, que por cierto tiene una durabilidad de decenas años de vida útil, decenas de años haciendo que la presión del gas nunca pase los 30 mbar y todo, por sólo 10€. Si es que, en estas pequeñas cosas también, la ciencia avanza que es una barbaridad.