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Las tuberías y su caracterización (parte II)

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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 Blog y Post premios iAgua 2018
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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.

Así finalizaba el post anterior, en el que hacía mención a la temperatura del fluido que circulaba por el interior de las tuberías, siendo esta temperatura un condicionante a la hora de elegir la resistencia del material. Como se va a conducir agua para riego, lo normal es que se encuentre a una temperatura comprendida entre 10 y 20 grados centígrados en la mayoría de los casos. La temperatura del agua de los bombeos se sitúa en torno a 10-12 grados centígrados. Sin embargo en riego por goteo superficial, en el que se emplean tuberías de PE de pequeño diámetro y bajas velocidades de circulación, la temperatura del agua en su interior puede alcanzar valores de 45ºC o incluso más.

Temperatura del agua

Cuando la temperatura del agua supere 20ºC de una manera continuada, se deben de aplicar unos factores correctores. 

A falta de datos del fabricante pueden utilizarse los siguientes gráficos como guía. Después veremos cómo se aplican con ejemplos prácticos.

Factor de corrección de la presión nominal según temperatura del agua para tubos de PE:

Factor de corrección de la presión nominal según temperatura del agua para tubos de PVC-U:

Factor de corrección de la presión nominal según temperatura del agua para tubos de PVC-O:

La presión de funcionamiento admisible, es decir, la presión hidráulica máxima a la que deberá de someterse el tubo según la temperatura del agua, será la resultante de multiplicar la presión nominal por un factor de corrección, Fc,

PFA=PN · Fc

Supongamos un tubo de PE80* que transportará agua a 7 bar de presión y a una temperatura máxima de 20 ºC. La presión nominal (PN) del tubo sería de 8 bar según los datos de la tabla inferior (SDR 17). Es decir, nosotros dentro del catálogo del fabricante elegiremos un tubo cuya resistencia a la presión se encuentre por encima como es lógico de la presión de trabajo máxima. Si el tubo va a trabajar a una presión como hemos dicho de 7 bar, elegiremos un tubo por encima de esa presión por seguridad.

Si ese mismo tubo transportase agua a 40 ºC, ya no podría transportar agua a 7 bar de presión...¿por qué?, pues porque la alta temperatura del agua influiría en la resistencia mecánica del tubo.  Debemos de corregir la presión máxima que será capaz de resistir ese tubo. Aplicamos la fórmula vista anteriormente, cuyo factor de corrección (Fc) lo obtenemos de la primera gráfica vista más arriba. Por tanto, para estas condiciones de temperatura su presión de funcionamiento admisible (PFA) sería entonces de:

PFA=PN · Fc = 8· 0,75 = 6 bar (< 7)

Es decir, debido al efecto de la temperatura, el tubo debería de transportar el agua a una presión máxima de 6 bar, pero la instalación va a transportar el agua a 7 bar.

Por tanto, para esas condiciones no nos valdría el tubo SDR 17 y tendríamos que elegir el siguiente de la serie, que sería SDR 13,6, PN 10 bar. De esta forma garantizamos que no se van a producir deterioros en el tubo o en sus uniones. Comprobamos con esta nueva serie:

PFA=PN · Fc = 10 · 0,75 = 7,5 bar (> 7)

Con este nuevo SDR la presión máxima de trabajo para 40ºC de temperatura del agua sería de 7,5 bar. Como nuestra instalación va a trabajar a 7 bar no habría problemas, pues queda por debajo y no se sometería a tensiones y esfuerzos al material.

(*) Los tubos de PE se clasifican, según la densidad de la resina de polietileno con la que estén fabricados, en tres categorías: PE40 (baja densidad), PE80 y PE100 (alta densidad).

Los valores de la Presión Nominal de los tubos, Series y SDR los podéis obtener de la información facilitada por los fabricantes.

Coeficiente de dilatación lineal

Un dato importante que hay que considerar durante el proceso de diseño de la instalación es el coeficiente de dilatación lineal.

Para el cálculo de la dilatación lineal utilizamos la expresión siguiente:

∆L = L · ∆T · C

Donde ∆L es la dilatación que tendría un tramo de tubería de longitud L según la diferencia de temperatura ∆T y el valor de su coeficiente de dilatación lineal C.

El coeficiente de dilatación lineal del PVC-U es de 0,08 mm/m ºC, es decir, 8 · 10-5 m/m ºC (el PVC-O tiene un valor de 0,05 mm/m ºC). Esto se traduce en lo siguiente:

Supongamos el trazado de un tramo de tubería de PVC-U con unión mediante adhesivo cuya longitud sea de 75 metros. La tubería va instalada sobre una superficie cubierta y al aire libre, en una zona con unas temperaturas medias de 15 grados noche y 35 grados día (diferencia entre temperaturas: 35ºC – 15ºC = 20 ºC). La dilatación que sufriría esa tubería, aplicando la expresión que acabamos de ver, sería la siguiente:

∆L = L · ∆T · C;   ∆L= 75 m · 20 ºC · 8 · 10-5 m/m ºC;   ∆L=0,12 m = 12 cm (0,16% sobre L)

En conducciones enterradas la dilatación no supondría ningún problema pues el efecto de la temperatura es insignificante.

La compensación a las dilataciones para tubos de PVC se puede realizar utilizando manguitos de dilatación en el caso de instalaciones con juntas encoladas  (véase el post conexiones). Cuando tengamos instalaciones con junta elástica, éstas normalmente absorberían las dilataciones producidas en la instalación.

Los tubos de PE40 tienen un coeficiente de dilatación lineal de 0,17 y los tubos de PE80 y PE 100 de 0,22 mm/m ºC.

Para el mismo ejemplo visto en el apartado anterior calcularemos ahora cuánto dilataría una tubería de PE100:

∆L = L · ∆T · C;  ∆L =75 m · 20 ºC · 2,2 · 10-4 m/m ºC ; ∆L = 0,33 m = 33 cm (0,44% sobre L)

Obsérvese la diferencia de comportamiento entre el PE y el PVC en cuanto a la dilatación se refiere.

En conducciones aéreas y en tramos rectos, hay que tener en cuenta la dilatación que pueda sufrir el tubo de PE y contrarrestar estas dilataciones cuando sea necesario con bucles o compensadores de dilatación.

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