El aire acumulado en el interior de una tubería, cualquiera que sea el material de ésta, produce unos fenómenos necesarios a tener en cuenta para evitar las graves consecuencias que éste puede oca- sionar.
Estos fenómenos se pueden clasificar en tres grupos y corresponden a las distintas condiciones de trabajo de la tubería:
• Durante el llenado
• En las arrancadas del grupo de bombeo • Cuando la tubería es vaciada.
El aire ocupa siempre los puntos altos de la con- ducción y si éste no tiene salida al exterior, se acu- mula en estos puntos produciendo un estrangula- miento en el paso del agua con la consiguiente reducción del caudal, pudiendo ocasionar incluso una obstrucción total.
A
B
A
Cuando se efectúa la operación de llenado de la tubería es necesario eliminar todo el aire de su interior. Ello se consigue mediante ventosas colocadas debidamente en aquellos puntos que se requiera y que permitirán la extracción del aire de forma automática.
La figura adjunta presenta una ven- tosa de simple efecto. Consta de un cuer- po metálico A en cuyo interior aloja a una esfera B de material más ligero que el agua, y que está situada en la parte infe- rior del alojamiento dejando libre el orifi- cio C por donde se va expulsando el aire empujado por el agua. Cuando el nivel de llenado llega a la ventosa, la esfera flota encima del agua obturando el orifi- cio y produciéndose el cierre de forma automática.
Cuando una conducción presenta un perfil ondulante, para expulsar todo el aire será necesario la colocación de una ventosa en cada punto superior de la onda.
El llenado deberá efectuarse lentamente para permitir la salida del aire y las distintas ventosas actuarán según la figura siguiente y el orden indicado.
Llenado del tramo El aire sale por las ventosas
1 A – B – C – D 2 A – B – C – D 3 B – C – D 4 C – D 5 D A B C A B C D 1 2 3 4 5
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Tramos:El agua puede llevar aire en suspensión, principalmente en las impulsiones, originado por la agita- ción provocada por el grupo de bombeo. En este momento la tubería ya está en carga y las ventosas de simple efecto no permiten la expulsión del aire, ya que la misma presión interior empuja la esfera mante- niendo la salida cerrada.
En estos casos es conveniente la colocación de ventosas de doble efecto, las cuáles disponen de una parte A que actúa de manera idéntica que las simples y de una parte B que, aún estando la tubería en carga, permite la eliminación del aire que se va acumulando, sin dar salida al agua.
La tabla que sigue indica el diámetro orientativo de las vento- sas a colocar, para los distintos diámetros de tubería.
Diámetros orientativos de ventosas
La no colocación de las ventosas adecuadas puede ocasionar que queden zonas de aire, con lo cual una vez llena la tubería y en funcionamiento, el problema se agrava, ya que por efecto de la presión y velocidad del agua, el aire puede ser desplazado sufriendo una compresión capaz de originar sobrepre- siones que pueden causar rotura de la tubería.
La presión final alcanzada en una bolsa de aire acumulado depende de: • El diámetro de la tubería
• La velocidad de circulación del agua. • El volumen del aire acumulado
• La distancia de situación de la bolsa de aire.
Esta presión final se puede determinar de acuerdo al siguiente ejemplo que representa una impul- sión con las siguientes características:
Tubería PVC de diámetro 250 mm, Pn 0,6 MPa (diám. interior = 235,4 mm) Longitud: 1.800 m
Caudal circulante 70 l/s
Velocidad de circulación del agua 1,6 m/s
El perfil de la tubería, según la figura siguiente, presenta dos zonas altas, situadas respectivamente a 1.100 y 1.500 m del origen y cuyas presiones estáticas corresponden a 2,0 y 5,0 kg/cm2, formándose en cada una de ellas, por falta de ventosas, una bolsa de aire de 2 m de longitud.
VENTOSA,DIÁMETRO TUBERÍA, DIÁMETRO
40 mm 40 a 200 mm
60 mm 140 a 315 mm
80 mm 200 a 400 mm
100 mm 400 a 630 mm
•Punto A
La energía cinética producida por el agua en movimiento a los 1.100 m del origen, obedecerá a la fórmu- la: 1 Ec = 2 m v2 y como m = P = πD2 LA× 1.000 = π0,2354 2 × 1.100 × 1.000 = 4.800 kg masa g 4 g 4 × 9,81 Ec = 4.880 × 1,62 = 6.246 kg m 2
Esta energía cinética se transforma en trabajo de compresión del aire encerrado en la tubería. El volumen de éste es:
V = 2 π ×0,23542 = 0,087 m3 4
El trabajo absorbido por el aire es: P V ×ln P’ P siendo: P = Presión estática, 2,0 kg/cm2 V = Volumen de aire, 0,087 m3 ln : logarítmo neperiano Se formará la igualdad: 1 m v2= P V × ln P’ 2 P 6.246 = 2 ×10.000 ×0,087 ×ln P P 20m A B 50m
De donde log. hiper. P’ = 3,5896 P
y P’ = 36,2 P
Por lo tanto la presión alcanzada por el aire acumulado en A será: P’ = 36,2 × 2 = 72,4 kg/cm2
Con toda seguridad nos produciría la rotura por sobrepresión en la tubería. • Punto B
Siguiendo idéntico procedimiento que en el anterior y teniendo en cuenta los valores constantes, será:
La presión en el punto B será: P" = 7,1 × 5 = 35,5 kg/cm2 Presión que también provocaría la rotura de la tubería.
En estos casos la rotura de la tubería se produce con explosión y proyección de trozos de material debido a la fuerza expansiva del aire.
Cuando la tubería está enterrada, el relleno de tierra impide la expansión y la rotura presenta, en la mayoría de los casos, las formas representadas en la figura adjunta. Ec = 1 m v2 = 8.518 kg m 2 1 m v2= P 1 × V × ln P’’ 2 P1 8.518 = 5 × 10.000 × 0,087 × ln P’’ P1 ln P’’ = 1,96 ; P’’ = 7,1 P1 P1 línea de rotura línea de rotura
Como ya se ha comentado anteriormente, la única solución a este problema es la colocación de ventosas en los puntos donde se requiera.
Otro peligro que se puede presentar en una conducción a consecuencia del aire es el fenómeno de depresión.
Este puede producirse en los siguientes casos:
a) Por cierre de una válvula instalada en la salida de un depósito .
El agua del interior de la tube- ría desciende, por su propio peso, dando lugar
a una succión interior con for- mación de presión negativa.
b) Por descenso brusco en el trazado de la tubería.
En condiciones de circulación, cuando la tubería es toda del mismo diámetro, en el tramo A, al aumentar la pendiente, aumenta también la velocidad, sin variar el caudal, en conse- cuencia el agua no llena por completo la sección de la tubería, produciéndose una depresión en su interior.
Si ésta vierte a través de una salida libre, el aire entrará por el extremo, evitando la depresión.
Si el extremo de la tubería queda situado por debajo del nivel de agua de un depósito o recipiente, ésta actúa de sello hidráulico no permitiendo la entrada de aire y produciéndo- se por tanto depresión interior
c) Por golpe de ariete negativo, si este produce rotura de la vena líquida.
En las tuberías de PVC y PE una depresión interna puede provocar su aplastamiento. La resistencia que estas ofrecen a la presión interior negativa depende del tipo de material y de la relación existente entre el diámetro y el espesor de pared.
El espesor de pared necesario para que una tubería resista una determinada presión interior negati- va vendrá dado por la fórmula, establecida por Allievi:
siendo:
e = Espesor en mm.
P = Presión en kg/cm2 (máx. 1 kg/cm2) Ks = Coeficiente de seguridad (se toma K=1) D = Diámetro en mm.
E = Módulo elástico en kg/cm2
Las tuberías de PVC y PE, de Pn 0,4 MPa sometidas a estas condiciones, se aplastarán antes de llegar al vacío absoluto. con lo cual necesariamente tendrán que colocarse ventosas para evitarlo.
Las tuberías con espesor de pared a partir de Pn 0,6 MPa pueden soportar, sin riesgo de aplasta- miento, una depresión equivalente al vacío absoluto.