Sobre las presiones negativas en tuberías

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Sobre el blog

Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Colegiado. He trabajado en diversas organizaciones públicas y privadas (Consejería de Agricultura de Castilla-La Mancha, TRAGSA, Uralita Sistemas de Tuberías...) Actualmente dirijo el consulting técnico HUTECH.
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A una presión inferior a la atmosférica se la denomina presión de vacío. La presión atmosférica es de 760 mm de columna de mercurio a nivel del mar, equivalente en la práctica a 1 kg/cm2 (10,33 mca). Por tanto, presiones absolutas inferiores a 1 kg/cm2 son presiones de vacío.

Cuando en una tubería la presión interior comienza a caer por debajo de la presión atmosférica se inicia el vacío, pero esto no significa que deje de haber agua, esto significa que la presión absoluta, como hemos comentado, es inferior a 10,33 mca y, mientras tanto, el agua sigue circulando. A medida que desciende la presión, el vacío aumenta, aunque el agua sigue líquida.

Es a partir de un determinado valor de vacío cuando el agua cambia de estado y se transforma en vapor

Un líquido puede pasar a vapor debido a dos circunstancias, o bien porque aumente su temperatura, o bien porque disminuya su presión. En el caso del agua, y para una temperatura de 10ºC, que es la temperatura media del agua en los bombeos, el cambio de estado se produce cuando la presión absoluta es de 9 mm de columna de mercurio (0,12 mca), es decir, cuando la presión de vacío relativa sea de P (-) = 0,12-10,33= -10,21 mca.

Recordemos que la presión se mide tomando como referencia la presión atmosférica, por tanto:

Las presiones manométricas relativas serán siempre mayores que cero:

P MANOMÉTRICA (+) = P ABSOLUTA- P ATMOSFERICA > 0

Las presiones de vacío relativas serán siempre menores que cero:

P VACIO (-) = P ABSOLUTA- P ATMOSFERICA < 0

Al realizar los cálculos de las sobrepresiones y depresiones producidas por el golpe de ariete en una conducción en las que aquéllas superan la presión estática (∆H > Hg), pueden resultar presiones de vacío relativas inferiores a -10,33 mca.

P MIN = (Hg - ∆H) < -10,33 mca. Esto es imposible por lo comentado.

El Dr. Mendiluce estudió durante decenas de años los fenómenos derivados de la mecánica de fluidos en las impulsiones y especialmente los transitorios que se producen durante los bombeos, llegando a unas conclusiones en relación con las presiones negativas (año 1989) que me permito resumir a continuación por el interés que han supuesto y suponen para los cálculos del golpe de ariete:

a) El agua en estado líquido soporta elevados vacíos, sin alteración de su comportamiento físico a efectos de su transporte por las tuberías, mientras no se produzca un cambio de estado a vapor.

b) La vaporización del agua a 10ºC, que es la temperatura media en los bombeos, se produce a una presión absoluta de 9 mm. Hasta que no se alcanza esta presión no se presenta riesgo de rotura de columna líquida y de cavitación.

c) Las sobrepresiones en el cálculo del golpe de ariete no tienen su equivalencia energética y simétrica en las depresiones, pues los rendimientos energéticos para las primeras, donde actúan los esfuerzos de compresión sobre el agua, son distintos a los rendimientos energéticos para las segundas, en los que actúan los esfuerzos de tracción.

d) Mendiluce concluye con una expresión empírica que relaciona los valores negativos de presión [P] con los vacíos generados (V), en base a sus experimentaciones en el desarrollo parabólico de las curvas de vacío, de tal forma que demuestra la siguiente relación:

Supongamos una conducción en la que la presión estática sea de 40 mca y la sobrepresión calculada fuese de 75 mca:

P MIN = (Hg - ∆H) = 40-75 = -35 mca (absurdo por lo que se ha expuesto)

Aplicando la expresión de vacío de Mendiluce:

(35 mca)0,8 = 18 cm Hg = 0,136 x 18 = -2,4 mca 

Esta presión de vacío relativa equivale a 7,93 mca de presión absoluta. Se trata de un valor razonable según las experiencias realizadas con vacuómetros en impulsiones.

Conviene añadir que las tuberías están generalmente bien preparadas para resistir depresiones próximas a 1 kg/cm2, muy superiores normalmente a las que en la práctica puedan producirse según lo probado.

En mi trayectoria profesional, tanto en los sectores de riego como de abastecimiento de agua, no he encontrado roturas de conducciones por “golpes de vacío” durante las maniobras de bombeo en impulsiones o en cierres de válvulas. Pensemos que llegar a -10 mca de presión relativa en una conducción, a tenor de lo expuesto, requiere que la diferencia entre la presión estática y la depresión producida sea de unos 215 mca, cifra que raramente se alcanza.

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