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Presiones de diseño en unidades de riego por goteo

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Sobre el blog

Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Autor del libro: Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión. Nominado mejor post premios iagua 2017
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El criterio de diseño hidráulico en una instalación de riego por goteo limita la variación máxima de caudal a un 10% en el lateral y por extensión en la unidad de riego, criterio que se aplica a todo tipo de goteros. Esta norma de diseño se traslada a la ecuación de descarga de un gotero, cuya expresión general es: 



 En la que derivando y tomando la variación citada de caudal q del 10% (0,1) se obtiene la siguiente igualdad:

La expresión anterior representa la máxima variación de presión que puede existir entre dos emisores cualesquiera de la unidad de riego en terreno llano –sin considerar por tanto las pendientes-, siendo p la presión de funcionamiento del gotero y x su exponente de descarga.

El exponente de descarga de un gotero lo vimos hace ya tiempo, precisamente en el segundo post que escribí en iAgua: exponente de descarga de un gotero: cómo calcular su valor. Te aconsejo revisar el citado post para refrescar conocimientos. Además te resultará útil para esta entrada.

Dicho esto, la máxima diferencia de presión entre el gotero con menor y el gotero con mayor presión en la unidad de riego no debe superar la norma de diseño que acabamos de ver. Lo podemos expresar de la siguiente manera a partir de la ecuación [1]:

El primer miembro de la ecuación [2] representa la máxima diferencia de presiones entre goteros en la unidad de riego que equivale a la diferencia de presiones entre el gotero situado más cerca del inicio de la tubería terciaria (el gotero de mayor presión por tanto) y el más alejado del punto de alimentación de la terciaria (el de menor presión), para los casos, como se ha comentado, de parcelas llanas.

En la imagen anterior se observa lo comentado. En la unidad de riego número 4 el gotero con mayor presión será el primero del primer lateral (junto a la válvula representada por un punto de color azul). El gotero con menor presión será el más alejado de esa válvula. Las líneas de color rojo representan las tuberías terciarias o de alimentación de laterales y las líneas de color azul las tuberías secundarias que alimentan a las tuberías terciarias de las distintas unidades de riego.

La diferencia de presiones en la unidad de riego equivale a la suma de la pérdida de carga producida en la tubería terciaria (ht) y la producida en la tubería lateral (hl), de tal forma que:

Una pérdida de carga es una pérdida de presión causada por el rozamiento del agua al circular por el interior de las tuberías. En laterales de goteo esta pérdida es grande debido a las pequeñas secciones de paso de los tubos. Si en nuestra unidad de riego tenemos en el inicio una presión P, a medida que avanza el agua en la unidad hasta el gotero más alejado la presión disminuye paulatinamente debido a las pérdidas por rozamiento producidas tanto en el lateral como en la tubería terciaria. Si en el último gotero tenemos una presión p, entonces:

Siendo ∆Hu la suma de pérdidas de presión por rozamiento del agua en el interior de las tuberías (∆Hu = ht + hl)

Normalmente los goteros estándar no compensantes tienen un exponente de descarga próximo a x ≈ 0,5. Para este tipo de goteros la variación de presión en la unidad de riego con respecto a la presión de funcionamiento del gotero debe de ser como máximo de un 20%. Para entenderlo volvamos a la igualdad [1].

Si asignamos el valor x = 0,5 al exponente de descarga nos quedaría lo siguiente:

Es decir, para no sobrepasar la variación máxima de caudal en la unidad de riego del 10 %, la variación de presión debe de ser como máximo del 20 %, o lo que es lo mismo, la suma de las pérdidas de carga del lateral y de la tubería terciaria debe de ser como máximo el 20 % de la presión de funcionamiento del gotero.

Quedémonos entonces con estas dos reglas:

1º) La máxima diferencia permitida de caudal en una unidad de riego por goteo será de un 10% para que la uniformidad de riego se encuentre en valores razonables.

2º) En goteros estándar (exponente de descarga de x ≈ 0,5), la máxima diferencia de presiones en la unidad de riego será del 20%.

Veamos ahora unos ejemplos para aclarar lo explicado.

Supongamos que vamos a diseñar una instalación con goteros no compensantes en una parcela llana. Hemos seleccionado un gotero cuya ecuación es: 

La presión de funcionamiento del gotero es de 1 bar (10 mca). Con esta presión el gotero emite un caudal de 4 l/h.

Una vez hechos los cálculos para seleccionar los diámetros de tuberías, nos sale que la pérdida de carga del lateral sería de 0,9 mca y la pérdida de carga de la tubería terciaria de 0,6 mca.

Veamos si cumple con la condición de diseño. Esta condición, como hemos visto, exige que:

 

Es decir, para que la norma de diseño de la unidad de riego se cumpla, la suma de las pérdidas de carga del lateral y de la tubería terciaria no puede superar 2 mca.

Con los datos del ejemplo, las pérdidas de presión del lateral y de la terciaria sumarían:

Por tanto la condición de diseño se cumple: 1,5 mca ≤ 2 mca.

Comprobamos ahora directamente en la ecuación del gotero que no sobrepasamos una variación de 10 % de caudal cuando la presión de trabajo sea de 10 mca. Estudiemos dos supuestos, uno por defecto y otro por exceso sobre los 10 mca de presión de funcionamiento:

Según lo que hemos visto, podemos diseñar por ejemplo con una presión de 10 mca en el gotero más cercano a la válvula. Por tanto tendríamos en el gotero más alejado una presión de 8,5 mca:

Esto supondría una variación de caudal de 7,5%, inferior al 10% y sería admisible por tanto el diseño.

Si diseñamos con una presión mínima (presión en el último gotero) de 10 mca, entonces la presión en el primer gotero de la unidad de riego sería de 11,5 mca:

Esto supondría una variación de caudal de 7,5%, inferior al 10% y sería admisible igualmente el diseño.

Si apuramos la máxima pérdida de carga permitida, es decir, 2 mca, tendríamos que:

Una variación mayor de 2 mca de presión nos invalidaría el diseño, pues se superaría el 10% de variación de caudal.

Imaginemos que fijamos una presión en el último gotero de 10 mca y, tras la selección de diámetros de tubos de la instalación, obtenemos que al primer gotero le llega una presión de 12,5 mca. El diseño no sería válido pues:

Para corregirlo una de las soluciones sería cambiar a una sección mayor de tubo que nos diese una menor pérdida de presión en la unidad.

Cualquier variación de presión superior a 2 mca invalidaría el diseño de la unidad de riego.

Por poner un último ejemplo, si suponemos que en el primer gotero tuviésemos una presión de funcionamiento de 10,5 mca y que en el último 8 mca, la diferencia (10,5-8= 2,5 mca) nos invalidaría el diseño, ya que superaría la máxima pérdida de presión permitida (2 mca).

Como previamente hemos calculado los diámetros de tubo, conocemos las pérdidas de carga en laterales y en tubería terciaria, y podemos saber las presiones que tendrán los goteros clave en la unidad de riego (las presiones en el gotero más alejado y en el más cercano a la válvula de alimentación). Finalmente la selección de diámetros nos determinará el diseño final de la instalación con el apoyo de reductores de presión donde proceda. Como veremos en otras entradas, los aumentos de presión se traducen en coste/año de explotación. En cualquier caso no aconsejo apurar la máxima pérdida de presión que nos permita el diseño, como ya explicaré en otro momento.

En próximas entradas seguiré profundizando sobre el asunto de las presiones, ya que es la clave para conseguir un buen diseño hidráulico de una instalación de riego.

El caudal depende finalmente de la presión, controlando la presión controlaremos el caudal

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