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Las tuberías y su caracterización (parte I)

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  • tuberías y caracterización (parte I)

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 Blog y Post premios iAgua 2018
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Cuando hablamos de riego, la red de tuberías será la encargada de conducir el agua desde el lugar de arranque, ya sea un pozo, una balsa o una toma, hasta los campos de cultivo. Explicaré en esta entrada, en la semana que celebramos la festividad de San Isidro Labrador, las características principales de las tuberías plásticas de PVC de pared compacta y de PE (polietileno), pues son, con diferencia, los materiales más utilizados para el transporte y distribución del agua para riego agrícola.

Todas las tuberías para el transporte del agua de riego son circulares. Esta forma geométrica es la que más eficientemente conduce el agua pues las perturbaciones debido a las pérdidas de presión son mucho menores que en otras formas. Las esquinas no son buenas para conducir fluidos debido precisamente a las perturbaciones que se producen en esas zonas cuando circula el agua por ellas. Desde el punto de vista hidráulico siempre será preferible una curva a 90 grados que un codo con el mismo ángulo. Si ahora nos vamos a la parte mecánica, una tubería circular cuando se instala enterrada, tendrá una mejor adaptación y capacidad para soportar cargas que una tubería con una forma geométrica plana.

Dicho esto, los tubos de PVC-U (policloruro de vinilo no plastificado), PVC-O (policloruro de vinilo orientado) y PE (polietileno), son materiales termoplásticos ya que pueden cambiar su forma una o varias veces por medio de la acción de la temperatura y de la presión. El uso de estos materiales queda limitado por tanto por la temperatura máxima del agua que van a transportar y por las condiciones externas de la instalación como luego veremos.

Los tubos de PVC suelen tener una longitud de 6 metros y son de color gris (PVC-U) o bien azul o morado (PVC-O), con dos tipos de embocadura: unión mediante junta elástica y unión encolada para el PVC-U y unión exclusivamente por junta elástica para el tubo orientado. El color azul del tubo de PVC-O indica su idoneidad para el transporte de agua potable y el color morado para el transporte de agua reutilizada.

En la imagen anterior observamos diferentes tubos de PVC. Las dos fotografías superiores son conducciones de PVC-U y las dos inferiores de PVC-O. Observa que, para tubos de PVC-U, se distinguen dos tipos de unión: mediante junta elástica y mediante junta encolada (imagen superior derecha), mientras que para el PVC-O las uniones son con junta elástica. Se llama junta elástica porque la embocadura del tubo aloja un aro de goma que garantiza la estanqueidad de la unión.

La diferencia entre los dos tipos de tubos de PVC radica en los efectos que sobre las cadenas moleculares de los polímeros induce el proceso de fabricación. El PVC es esencialmente un polímero amorfo, en el que las moléculas se encuentran dispuestas en direcciones aleatorias. Sin embargo, bajo unas determinadas condiciones de presión, temperatura y velocidad, y mediante un estiramiento del material, es posible ordenar las moléculas del polímero en la misma dirección en la que se ha producido dicho estiramiento. En función de los parámetros del proceso y sobre todo del ratio de estiramiento, se obtiene un mayor o menor grado de orientación. El resultado es un plástico (PVC Orientado) con una estructura laminar, cuyas capas se aprecian a simple vista. Se consigue un plástico con una mayor resistencia, capacidad hidráulica, flexibilidad y ligereza.

En el siguiente esquema, cedido por MOLECOR TECNOLOGÍA S.L., se aprecia lo comentado.

Los tubos de PE no llevan embocadura y la unión entre tubos es mediante manguito de unión –no obstante hay fabricantes que comercializan tubos con embocadura y unión rápida-. Debido a su flexibilidad y para diámetros habitualmente menores de 125 mm pueden suministrarse en rollos continuos con longitudes de 50 a 200 metros cada rollo. En pequeños diámetros se pueden suministrar en bobinas de hasta 500 metros de longitud. Para diámetros mayores se suministran en barras rectas de 6 o de 12 metros.

En la imagen siguiente vemos en la parte superior tubos de PE en barras (y sin embocadura como ha sido comentado) y en la inferior bobinas o rollos de tubería.

Clasificación de los tubos plásticos

Para clasificar las tuberías plásticas se suele emplear el término SDR (Standard Dimension Ratio). Esta expresión relaciona el diámetro nominal del tubo (DN) con su espesor (e) –todas las medidas en mm-, de tal forma que:

SDR = DN / e

El diámetro nominal coincide con el diámetro exterior en los tubos de PVC-O, PVC-U y PE.

Si tenemos por ejemplo un tubo de un DN (diámetro exterior) de 90 mm y un espesor de 4,3 mm, entonces el SDR sería:

SDR = 90 / 4,3; SDR = 21

Un tubo plástico puede designarse también por la serie S. La serie queda definida por la siguiente expresión:

S = rm / e

Donde rm es el radio medio teórico y e el espesor nominal. El radio medio teórico queda definido por la expresión siguiente:

rm = (DN-e)/2

El SDR y la S se relacionan de la siguiente forma:

SDR = 2·S+1

O bien, S = (SDR-1)/2

Vamos a seguir con el ejemplo del tubo de 90 mm. Calculamos ahora su radio medio:

rm = (90-4,3)/2; rm = 42,8 mm

Y deducimos la Serie mediante la fórmula que ya conocemos:

S = rm / e; S = 42,8/4,3 = 10

Obtuvimos antes que el SDR era 21, ¿verdad? Claro, lo comprobamos ahora mismo:

SDR = 2·S+1 = 2·10+1 = 21

No haceros lío. Pensad que en un tubo cuando mayor espesor tenga la pared del tubo menor será el SDR y viceversa.

Su utilidad en el cálculo

Para el cálculo hidráulico de tuberías emplearemos dos características fundamentales: el diámetro interior del tubo (Di) y su presión nominal (PN).

  • Diámetro interior del tubo (Di)

Se emplea para el cálculo de la sección libre (S) obteniéndose el caudal que circulará por el interior, siendo v la velocidad del agua y e el espesor de la pared.

Di = DN -2·e

S = π · (Di^2)/4

Q = v · S

Los diámetros interiores de las series de tubos plásticos se pueden obtener de la información que ofrece el fabricante de tubos. El diámetro nominal (DN) coincide para todas las gamas con el diámetro exterior del tubo.

  • Presión nominal (PN)

Los diseños hidráulicos de las instalaciones de riego comienzan en un punto, que, generalmente, es el emisor más alejado de la toma o del grupo de bombeo, al que se le asigna una presión de trabajo según el caudal que debe de proveer para cumplir con las condiciones de un diseño agronómico previo. A partir de este punto se van sumando a esa presión de trabajo diferentes pérdidas desglosadas en pérdidas por rozamientos en tuberías, por rozamiento en accesorios, diferencias de cota… y, finalmente, se obtiene una presión en cabecera o en el inicio de la instalación.

La presión nominal (PN) es la presión hidráulica máxima que un componente es capaz de resistir en utilización continuada durante 50 años (largo plazo) a la temperatura de servicio de 20 ºC.

Como la temperatura del fluido es un condicionante que nos limita la resistencia a largo plazo de los tubos plásticos, veremos en la siguiente entrada cómo afecta su valor y cómo se corrige.

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