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El aire en las tuberías (II): Cálculo y dimensionado de ventosas

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Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Autor del libro: Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión. Nominado mejor Blog y Post premios iAgua 2018
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  • aire tuberías (II): Cálculo y dimensionado ventosas

Vimos en la primera parte "El aire en las tuberías: un problema que a veces es parte de la solución"  los diferentes tipos de ventosas que existen, para qué casos determinados se utilizaban y en qué puntos de la instalación se debían de instalar. En esta segunda parte veremos cómo seleccionar la ventosa adecuada según el tipo de trabajo que vaya a realizar y, para ello, nos apoyaremos en los gráficos de selección que proporcionan los fabricantes.

Empecemos por las más sencillas, los purgadores.

a) Purgadores

Los purgadores se utilizan para evacuar pequeñas cantidades de aire que transporta disuelto el agua. Para dimensionar estos dispositivos se deberá de tener en cuenta los cambios de presión y temperatura del agua en la conducción, ya que son los que ocasionan la liberación del aire. La cantidad máxima de aire disuelto en el agua a presión atmosférica (m3 de aire en m3 de agua) es el denominado Coeficiente de Bunsen (CB), y los valores de cantidad disuelta de aire según la temperatura vienen dados en la tabla siguiente:

El contenido de aire para una temperatura determinada es proporcional a la presión. A mayor presión más cantidad de aire disuelto en el agua. Por ejemplo a 2 bar de presión y para 15ºC el CB sería de 0,0402 m3 de aire en m3 de agua (es decir, 2 bar x 0,0201). Esto equivale a 40 litros de aire por metro cúbico de agua. Un aumento de la temperatura o una reducción de la presión dentro de la tubería producirían su paulatina liberación, formándose burbujas o bolsas de aire. Generalmente en las conducciones no existen unos saltos de temperatura del agua que produzcan un aumento significativo de liberación del aire disuelto, sin embargo, la variación de presión sí es significativa.

La cantidad de aire (QAIRE) que se liberará en una conducción que transporta un caudal de agua QAGUA a una temperatura t ºC con una variación de presión Δp es:

                                       QAIRE = CB * QAGUA * Δp

Para obtener una eficaz eliminación del aire con este tipo de ventosas realmente es más importante conocer la localización de las mismas que su tamaño; incluso llega a ser más eficiente instalar más purgadores de pequeño tamaño que menos de gran tamaño.

Los fabricantes informan de la capacidad de purga de purgadores de diferente tamaño mediante gráficas caudal-presión como la siguiente.

Fig. 1 Gráfico de capacidad de evacuación de purgadores según el diámetro del orificio y la presión de trabajo (IRUA)


Para entender lo explicado veamos un ejemplo muy simple, pero práctico.

Supongamos una conducción por la que circulará un caudal máximo de 156 l/s a una presión de trabajo de 4 bar, y, en la parte final, la presión desciende a 2,5 bar. Vamos a determinar el tamaño del purgador o de los purgadores que se deberían de instalar considerando una temperatura media del agua de 10ºC.

El caudal de agua es de QAGUA = 156 l/s = 9,36 m3/min

Aplicamos directamente la fórmula vista más arriba.

QAIRE = CB * QAGUA * Δp = 0,0224 * 9,36 * (4-2,5) = 0,31 m3/min

Si vamos al gráfico de purgadores más abajo y trazamos las líneas correspondientes a la capacidad de purga a la presión de trabajo vemos que se cortan en la curva de un purgador con diámetro de orificio de 3 mm (líneas rojas). No es aconsejable instalar un solo purgador, sino varios más pequeños, ya que el desprendimiento de aire se va produciendo de una forma gradual a medida que el agua va perdiendo presión a lo largo del tramo de conducción considerado. Por tanto la opción más acertada sería instalar tres purgadores de 2,25 mm, que, según vemos en el gráfico (raya verde) darían un caudal de expulsión unitario de 0,1 m3/min.

b) Ventosas de admisión y expulsión

Para dimensionar el orificio de las válvulas de efecto cinético es necesario diferenciar las dos funciones que estos dispositivos realizan: durante el llenado de tuberías expulsan el aire que el agua empuja y durante su vaciado aspiran aire para permitir el correcto drenaje del agua.

El caudal de aire que sale de la tubería o entra en la tubería a través del orificio de la válvula ventosa es función de la diferencia de presión que se genera entre el interior de la válvula y la atmósfera.

La ecuación que determina el caudal del aire que circulará a través de un orificio es:

Por ejemplo para un diámetro de orificio de 52 mm y un diferencial de presión de 3 mca (que es el valor que normalmente se elige como luego veremos), el caudal de aire es:

Qa = 2,1x10^-3x0,7x(2x3/1,2)^0,5x36x10^4 = 1.180 m3/h  

No obstante, para seleccionar la ventosa lo más apropiado es trabajar con los gráficos suministrados por el fabricante que determinan el caudal de entrada o salida de aire en función de la presión diferencial de diseño para cada modelo de válvula ventosa.

1.- Llenado de tuberías

Para el dimensionado de las ventosas se utilizarán los diagramas suministrados por el fabricante, entrando con el caudal de aire (Qa) y la presión diferencial de diseño* (∆P). Normalmente se toma una ∆P de 3-3,5 mca para que se produzca el cierre de la válvula.

(*) La presión diferencial de diseño es la presión a la que el orificio queda obturado por el flotador produciéndose el cierre dinámico de la ventosa para evitar la salida de agua una vez expulsado el aire. Es un dato a suministrar por el fabricante.

En tuberías de impulsión, se opta por el caudal que impulsa la bomba, el cual se considera como caudal de salida del aire –recordemos que se trata de vaciar el aire de la conducción que es empujado por el agua-. Dicho caudal se lleva a las curvas de descarga de la válvula ventosa y se elige aquélla que nos dé un valor próximo a 3 o 3,5 mca de presión diferencial de diseño, dependiendo del fabricante. 

En tuberías por gravedad, el caudal de llenado viene determinado por la presión máxima por golpe de ariete que pueda soportar la instalación. Normalmente se toma como presión máxima un 0,75 de la presión nominal de la tubería o bien la presión nominal. El caudal de llenado, suponiendo que el agua se detenga de forma repentina al final de la conducción –como ocurre en muchas instalaciones de riego-, vendrá determinado por la siguiente fórmula:

Donde,

Q es el caudal de llenado de la conducción, igual al caudal de la salida del aire (m3/s)

∆H es la máxima presión positiva permitida (mca), que suele tomarse un 0,75PN o PN

g es la aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)

S es la sección de la tubería, en m2

a es la celeridad de la onda (véase el post "Golpe de ariete por cierre de válvula")

En tuberías de distribución donde no existe un cierre repentino por válvula, se toma como caudal de llenado el caudal normal de funcionamiento para el tramo considerado.

En cualquier caso, se recomienda que el llenado de la tubería se realice de forma controlada mediante el estrangulamiento del flujo de agua con una válvula manual o automática situada al principio de la tubería (a la salida de la bomba o depósito)

Supongamos que se va a llenar una instalación por gravedad con tubería de PVC de 184,6 mm de diámetro interior y PN de 1 MPa (10 bar) ¿qué caudal de llenado deberíamos de considerar? La celeridad de la onda es igual a 340 m/s

Si consideramos como máxima presión permitida un 75% de la PN, ∆H = 0,75*10=75 mca

El caudal de llenado Q será igual a:

Q = (75*9,81*0,0267)/340 = 58 l/s; éste será el caudal de aire a considerar para el cálculo del tamaño de la ventosa.

2.- Vaciado de tuberías

Para el dimensionado se utilizarán las curvas suministradas por el fabricante para la admisión de aire por la ventosa. Se tomará generalmente una presión de diseño de 3 o 3,5 mca.

Cuando se abre la válvula de drenaje, la tubería se vacía por gravedad.

El caudal máximo de drenaje por gravedad se puede calcular según la fórmula:

Supongamos un tramo de una conducción de PVC de 422 mm de diámetro interior y pendiente del 0,7%. El caudal de drenaje para ese tramo sería:

Q = 1,2916 x 10^-5  x 150 x (0,7/100)^0,54 x 422^2,63 = 1.067 m3/h

A efectos prácticos se puede seleccionar el tamaño de las válvulas de vaciado como una parte del caudal máximo de drenaje en relación con el diámetro de las tuberías de los tramos de la conducción a evacuar, de tal forma que cumpla con las indicaciones de la siguiente tabla, siendo Q el caudal máximo de drenaje. Asimismo, se dan unos valores medios del tamaño de la válvula de drenaje según el diámetro de la conducción.

En el gráfico siguiente vemos las curvas de expulsión de aire cuando se llena la conducción (o curvas de sobrepresión) y las de admisión de aire cuando se vacía la conducción (o curvas de depresión) para un tamaño de válvulas ventosas desde 1 a 4 pulgadas. 

Fig. 2 Gráfico de capacidad de admisión y evacuación de ventosas según sobrepresiones y depresiones (IRUA)

 

 


Respecto al gráfico anterior, el fabricante advierte lo siguiente:

En el vaciado de la conducción, con depresiones mayores de 4,7 mca, no se producirá la admisión de aire debido al bloqueo del flotador de la válvula (límite marcado por la línea roja punteada)

En el llenado de la conducción, se recomienda realizar la operación con sobrepresiones no superiores a 3,5 mca para evitar el bloqueo del flotador de la válvula. El fabricante no obstante, puede suministrar bajo pedido ventosas que resistan sobrepresiones de hasta 9 mca (límite marcado por la línea roja punteada)

c) Ventosas trifuncionales

Como son una combinación de los dos tipos anteriores, para el dimensionado de las ventosas trifuncionales se aplica todo lo explicado.

Seleccionaremos una ventosa trifuncional para un tramo de una impulsión realizada en tubería de PVC de 582 mm de diámetro por la que circulará un caudal de agua de 32 m3/min.

En el gráfico inferior marcamos con una línea verde el caudal y elegimos la ventosa para una sobrepresión de llenado de 3,5 mca máxima. La ventosa sería de 3 pulgadas.

En el caso de vaciado del mismo tramo, y si la pendiente fuese por ejemplo de un 0,6%, calcularíamos primero el caudal de desagüe del tramo:

Q = 1,2916*10^-5 *150*(0,6/100)^0,54 * 582^2,63 = 2.286 m3/h = 38 m3/min.

Seleccionaremos una válvula de desagüe según la tabla q = Q/3 = 12,6 m3/min. Este sería el caudal de admisión de aire para la selección del tamaño de la ventosa.

Si vamos al gráfico de nuevo, nos valdría una válvula de 1 1/2 pulgadas (ver línea verde en gráfica de depresión). Como se trata de una ventosa trifuncional debemos seleccionar el mayor valor; por tanto instalaremos una válvula ventosa de 3 pulgadas.

Si la capacidad de admisión o descarga de aire no se puede alcanzar con una sola válvula ventosa, podrán instalarse varias válvulas en paralelo.

Algunos fabricantes dan unas guías rápidas para la selección de válvulas ventosas de sus catálogos. No obstante se recomienda siempre consultar con la casa fabricante para tener la garantía suficiente de que se han elegido correctamente las válvulas.

Comentar por último que algunos fabricantes de ventosas realizan las gráficas de admisión-expulsión de aire para sus catálogos comerciales mediante métodos teóricos, ya que los ensayos son a menudo complicados y caros de realizar. Esto entraña un riesgo de desviación respecto a las curvas reales ya que se suelen utilizar para la elaboración de las curvas teóricas unos coeficientes de restricción demasiado optimistas, lo que se traduce finalmente en válvulas que no ofrecen realmente las capacidades que muestran en los catálogos y que podrían dar lugar a bloqueos durante su funcionamiento (cierre de la ventosa) antes de que hubiesen completado la total evacuación o admisión del aire de las tuberías donde van instaladas. Además, para aumentar más la confusión, para la designación de una ventosa se utiliza en unas ocasiones el diámetro del orificio de entrada o salida (que sería la terminología apropiada) y en otras se emplea el diámetro de conexión con la tubería. Esto podría llevar a errores, ya que ventosas con iguales diámetros de brida pueden tener diámetros de orificio de admisión-expulsión muy diferentes y distintas capacidades por tanto.

En España la norma de ensayo de las válvulas ventosa es la UNE-EN 1074-4:2001 “Válvulas para el suministro de agua. Requisitos de aptitud al uso y ensayos de verificación. Parte 4: Purgadoras y ventosas

Instalación

Para la correcta instalación de estas válvulas se recomienda la colocación de una válvula manual de bola o de compuerta antes de las válvulas ventosa para poder desmontarlas en caso de reparación o mantenimiento sin necesidad de detener el funcionamiento de la instalación. Las ventosas deben situarse siempre en posición vertical y en la parte superior de la tubería. Asimismo deben realizarse las labores de mantenimiento que indique el fabricante.

Ventosa trifuncional de dos cuerpos: a la izquierda, más pequeño, el purgador y a la derecha, iluminado por el sol, el cuerpo de la ventosa de efecto cinético. Debajo de la ventosa vemos la válvula de compuerta para su aislamiento en caso de reparación y mantenimiento.


Ventosa de doble efecto en un punto elevado en una instalación de riego por goteo. La función principal de esta ventosa es permitir la entrada de aire en la conducción una vez ha finalizado el riego para evitar el efecto “succión” de los goteros y que penetre partículas que puedan ocasionar obstrucciones en los mismos.


En esta imagen vemos en primer término un purgador para eliminar las burbujas de aire que puedan formarse antes de que lleguen a los tres hidrómetros.