LA ACUMULACION DE AIRE EN LAS CONDUCCIONES. BASES DE CALCULO PARA SU EVACUACION-ADUCCION

Transcripción

1 LA ACUMULACION DE AIRE EN LAS CONDUCCIONES. BASES DE CALCULO PARA SU EVACUACION-ADUCCION Por : J.A. Muñoz, P. de Bony. EINAR,S.A. 1.- Introducción La acumulación del aire en las tuberías de una conducción hidráulica, puede dar lugar a unas sobrepresiones, sobre todo en la puesta en carga, de una magnitud tal que afecte gravemente a la instalación. Según E. Mendiluce, desde un punto de vista resistente las conducciones de transporte de agua deben soportar distintos esfuerzos, precisos de conocer, para realizar una adecuada elección de su timbraje: La presión estática en conducciones por gravedad, y aumentada en la pérdida de carga, en las impulsiones. El efecto del golpe de ariete debido a la apertura/cierre de válvulas y al arranque/parada de grupos. La carga de aplastamiento, en las tuberías enterradas. y un cuarto parámetro, difícil de valorar, fácil de evitar y que puede llegar a alcanzar valores superiores a la suma de los anteriores, principalmente en las puestas en servicio de las tuberías, que es la acumulación del aire en el interior de las conducciones. El origen del aire en las conducciones puede ser : el aire interior a las conducciones, antes de la puesta en servicio. el procedente de una estación de bombeo por aireación o por formación de vórtices en la aspiración. el introducido en un depósito con nivel de agua bajo o por un aparato de rotura de carga con restitución o lámina libre. el que penetra a través de un aductor en caso de depresión en la conducción (golpe de ariete o piezométrica demasiado baja...) el debido al fenómeno de desaireación del agua en fuertes pendientes del perfil de la conducción, o bien al cambio de sección o dirección de la conducción e incluso temperatura del fluido, sin olvidar el desprendimiento de gases procedentes de la descomposición de la materia orgánica, en las conducciones de aguas residuales. 2.- Problemática del aire Uno de los problemas más importantes que se provocan durante la puesta en carga de una conducción, es la acumulación y compresión del aire en los puntos altos de éstas (Fig. 1), de forma que el aire aprisionado en una bolsa en el primer punto alto (2), se encontrará comprimido por la columna de agua que gravita sobre él (h1), empujando al agua que ocupa el tramo siguiente (2-3), que se desplazará con una velocidad inferior a la del tramo anterior (1-2), repitiéndose este fenómeno con las bolsas de aire siguientes y traduciéndose en la creación de unas sobrepresiones peligrosas para el sistema, ya que pueden alcanzar hasta 22 veces la presión de trabajo. 1

2 Fig. 1.- Acumulación de aire en los puntos altos. Asimismo en los citados puntos altos, cuando existe acumulación de aire y circulación de agua (fig. 2), se produce una sensible disminución de la sección de paso, que se traduce en una pérdida de carga adicional en estos puntos que provocará en definitiva un menor caudal de tránsito a lo largo de la instalación. Fig. 2.- Acumulación de aire en un punto alto De lo hasta aquí expuesto, se deduce la necesidad de evitar la acumulación de aire en el interior de las conducciones. La primera medida que debería adoptarse en este sentido sería la de impedir que el aire penetrase en el sistema, es decir tomar unas medidas de carácter preventivo. Desgraciadamente no es suficiente con ello ante la práctica imposibilidad de evitar todas y cada una de las fuentes de aire que anteriormente se expusieron. En consecuencia, una medida complementaria será la de disponer equipos aptos para realizar la función de extracción del aire acumulado. Estos equipos son conocidos por el nombre de "Ventosas" y su misión puede llegar a ser triple : Una expulsión del aire, que debe ser de elevado caudal, durante el llenado de la conducción. Una expulsión controlada de pequeñas cantidades de aire que se encuentra bajo presión en las bolsas donde se ha acumulado (los equipos que realizan sólo esta función, son llamados Purgadores). Una entrada de aire (función antagónica de las anteriores) durante las fases de vaciado de la conducción, para evitar el colapsamiento de la misma o el deterioro de las juntas por la depresión que se crea en su interior. Cada una de estas tres funciones requiere un análisis independiente para la adecuación de un equipo que pueda conjugarlas parcial o totalmente. La expulsión de un gran caudal de aire durante el llenado de una conducción requiere un orificio de salida, en principio, de gran diámetro para facilitar dicha función pero contrariamente lo requiere pequeño para minimizar el efecto del golpe de ariete cuando se produzca el cierre. 2

3 Para la expulsión de un pequeño caudal de aire, bajo presión, basta con disponer de un pequeño orificio para satisfacerlo. La aducción de aire, durante el vaciado de una conducción normalmente requiere caudales importantes, lo que normalmente implica disponer de equipos con orificios generosos para que hagan adecuadamente esta misión. La circulación del agua en los vaciados depende del diámetro del desagüe elegido (compromiso entre tamaño de los equipos y tiempo de vaciado de la conducción) y de que éste se haya provocado o sea accidental. Incluso si es provocado cabe la posibilidad de analizar si se realiza un desagüe programado (abriendo los desagües desde los puntos más altos a los más bajos) o no programado (probabilidad de abrir un desagüe que afecte a varios puntos altos a la vez), lo que conlleva un análisis dimensional diferente, máxime cuando se estudia la conducción a posible rotura franca, produciéndose un desagüe y, por consiguiente, una aducción muy fuerte. Existen diferentes tipos de purgadores o ventosas con carácter mono, bi y trifuncional, así como especiales para aguas residuales, en consonancia con las misiones que son capaces de desarrollar y van desde los tradicionales de bola o cilindro, constituida por una o dos esferas construidas en material ligero, con un funcionamiento poco fiable a largo plazo (causa de la desconfianza de muchos técnicos hacia estos equipos en general), hasta aquellas otras en que el flotador es un cilindro, y las que tienen diferenciada la entrada y salida del aire (clapleta más purgador). A este respecto recogemos nuevamente lo enunciado por E. Mendiluce en su articulo "La seguridad en las instalaciones para el transporte y distribución del agua" en el que expone: "A nuestro juicio, las ventosas de obturación metálica accionada por campana o flotador, son más seguras que la de bola (de más fácil deformación o deficiente obturación), no debiendo dejarse influenciar por el precio, sino por la calidad y eficacia del diseño". 3.- Dimensionamiento Estamos de acuerdo con lo enunciado por E. Mendiluce cuando dice "Hemos de advertir que la selección de ventosas es un problema complejo, el cual generalmente no se tiene en cuenta. Se suelen exigir ventosas en los proyectos sin indicar el tipo, su función, o sin estudiar realmente el diámetro recomendado" o bien cuando expone "Tratamos de realizar algún cálculo sobre la capacidad de desaireación de las ventosas, pero encontramos una clara falta de orientación en los medios especializados consultados" y en efecto, normalmente los fabricantes realizan un dimensionamiento en base a gráficos experimentales propios anunciando incluso que no son aplicables a otros tipos de ventosas. Otros fabricantes, simplemente relacionan el diámetro de la ventosa con el diámetro de la conducción, sin más explicación, aplicando poco más o menos la regla por la que el diámetro de la ventosa debe ser la cuarta parte del diámetro del purgador. Pimentel y Granados en su articulo "Golpe de ariete provocado por el cierre de una ventosa" exponen que el dimensionamiento de las ventosas se hace considerando separadamente cada una de las posibles funciones que habrá que acometer: evacuar aire durante el llenado de la red, purga de aire cuando la red está en servicio, y admisión de aire durante el vaciado de la red. Asimismo afirman que las depresiones creadas en el interior de las tuberías no pueden ser peligrosas en las redes colectivas de distribución de agua a presión ya que los tipos de materiales habitualmente empleados resisten bien a aplastamiento, razón por la cual el diseño de las ventosas se realiza casi siempre atendiendo a los problemas que 3

4 plantea la evacuación del aire, y con lo cual no estamos totalmente de acuerdo. Posteriormente plantea el cálculo según las hipótesis de Neyrtec, según la cual las leyes del escape del aire a través de la ventosa, son análogas a las de una tobera alimentada en fluido comprensible, en donde la velocidad del fluido en el cuello, no puede sobrepasar los 200 m/s (valor fijado a la velocidad del sonido en el fluido considerado), independientemente de la presión aguas arriba, cuando se sobrepasa una presión de 2 bar absolutos (es decir, 10 m.c.a. + presión atmosférica), condición que se cumple prácticamente en toda conducción (Fig. 3) P ab (mca) Q/S (dm/s) Fig. 3.- Caudal de aire en una tobera vs. presión El golpe de ariete provocado por el cierre brusco del puntero de la tobera (a. V/g, con a = m/s y V = velocidad del agua en la conducción), obliga a limitar la sección de la tobera de salida del aire con la sección de la conducción. Esta relación de secciones será de 1/63, cuando se pretenda limitar el golpe de ariete a tan solo 5 m.c.a., relación de partida para la confección de la tabla de selección de purgadores-ventosas NARSONIC de EINAR, que exponemos seguidamente, bien entendido que cuanto mayor es el diámetro de la tobera y la presión de servicio, más importante es la dimensión del flotador y del aparato. Sin embargo, una larga experiencia de estos problemas nos permite utilizar dicho cuadro con cierta flexibilidad, en función de criterios complementarios, siendo el más importante respetar la relación: diámetro de tobera/tamaño de ventosa, ya que la sección de dicha tobera está directamente relacionada con el peso del flotador, el cual a su vez depende del tamaño de la ventosa. Así, el caudal máximo de escape de aire de un purgador es: q(l/s) = k.s.v donde: K = coeficiente de contracción (0,85-0,90) S = sección de la tobera (dm 2 ) v = velocidad sónica (2000 dm/s) 4

5 Tabla I. Selección de purgadores NARSONIC DN Tobera (mm) 2 2, Presión max. (mca) < a a a a a a a Por ejemplo, a un purgador DN-150 le corresponde, para una presión de trabajo de 25 a 40 m.c.a., una tobera de diámetro 10 mm siendo el caudal de aire que evacúa de: q = 0,87 x 0,0078 x 2000 = 13,7 l/s Los caudales sónicos de las toberas de los ventosas NARSONIC, son : Tobera (mm) q (l/s) 1,2 2,2 3,4 4,9 8,8 13,7 19,8 35,0 54,6 Debe advertirse que durante el llenado de una conducción (la velocidad recomendada normalmente debe ser igual o inferior a 0,50 m/s), colaboran varios purgadores a la vez, lo que incrementa bastante la capacidad de purga del tramo considerado. Precisamente cuando las necesidades de evacuación de aire son muy elevadas o el perfil de la conducción exige una evacuación de aire superior a los términos manejados, en determinados tramos, se recurre a las ventosas con una capacidad de aducción mayor, cual es el caso de las ventosas tipo NARSONIC, que disponen de un orificio relativamente grande en la parte superior del cuerpo junto a una tobera sónica de la misma sección que la del purgador normal, anteriormente mencionado. El aire expulsado por la entrada del agua en la tubería se escapa al principio por el orificio de mayor diámetro, aumentando progresivamente la presión interior y la velocidad de salida. En un momento determinado, el empuje aerodinámico sobre un disco móvil lo levanta obturando el orificio de gran diámetro, dejando únicamente en servicio la tobera sónica para el funcionamiento en carga de la tubería. Los cálculos muestran que es suficiente un orificio de sección igual como máximo a 9 veces la de la tobera sónica para que el aire a evacuar no frene el llenado, en el momento en que la presión de régimen en el punto alto correspondiente sobrepase 5 m.c.a., condición asimismo que prácticamente siempre se alcanza. 5

6 Estos aparatos se emplean frecuentemente en los casos en que las tuberías sufren interrupciones frecuentes de alimentación, seguidas de llenados, que el usuario desea reducir su duración manteniendo las condiciones se seguridad a un nivel suficiente para un control de caudal. En lo que respeta al dimensionamiento para la purga de aire bajo presión, la práctica indica que las distintas fuentes de aire no aportan más que un pequeño porcentaje de aire respecto al caudal de tránsito de la conducción. Este suele oscilar entre un 5% y un 1,2% y lo representamos, como valor medio en la gráfica de la figura 4. Caudal de aire de purga (l/s) Q agua en la conducción (m 3 /s) Fig. 4.- Caudal aire de purga vs. caudal de agua circulante Para el dimensionamiento de los equipos cara a definir su capacidad de admisión de aire, cabe considerar los tres casos que se indicaran anteriormente, según que se tratase de un desagüe provocado o accidental. Un criterio de determinación de los equipos es la consideración de la depresión máxima admisible en la tubería compatible con las juntas de estanqueidad, la resistencia al aplastamiento o sencillamente la salida de agua durante el desagüe. El valor de esta depresión, normalmente admitida, es de 2 a 3 m.c.a. La admisión provocada se debe a la apertura de desagüe de diámetro conocido o recomendado, tal como la norma técnica nº 4 "Válvulas, ventosas y desagües" del CYII, según la cual: DN tubería (mm) DN desagüe (mm) = =

7 siendo el caudal evacuado por este desagüe, y por consiguiente la aducción provocada de aire: qa (l/s)= K.S. 2.g.dh con : K = coeficiente contracción (0,65-0,80) S = sección del desagüe dh = desnivel entre el punto alto y el punto bajo adyacente (vaciado controlado), o más bajo (vaciado sin control) que puede influir en el desagüe. Así por ejemplo, un desagüe colocado 33 m aguas abajo de un punto alto, en una tubería de DN-600, provocará tras su apertura una aducción de aire en ese punto alto de: qa = 0,75. 1, = 336 l/s La aducción de aire en una tubería debe hacerse con la mayor rapidez posible (efecto antagonista, como indicamos, a la purga de aire), lo que requiere grandes superficies de entrada de aire a través de equipos adecuados. Cuando el vaciado es controlado y los desniveles moderados, en la mayoría de los casos, es suficiente un aductor de una ventosa trifuncional, como el NARSONIC, ya que a través de su orificio de gran diámetro va a permitir la aducción de aire, que para el caso concreto de una depresión de 3 m.c.a. se valora en: (qa = 2000.S) DN Caudal (l/s) En el ejemplo anterior, bastaría con disponer una ventosa NARSONIC DN-100, con una capacidad de aducción de 365 l/s, para compensar la requerida de 336 l/s. Cuando, o bien el diámetro de la conducción es muy importante, el desagüe de la conducción muy grande con respecto al diámetro de la conducción, o bien en caso de un dimensionamiento a rotura de la misma, la capacidad de aire a admitir es muchísimo mayor, lo que requiere generalmente aductores de gran capacidad como es el caso de las clapetas de aducción CLAPAR que bajo una depresión de 2 m.c.a. permiten una entrada de aire de : DN- 80: qa = 1,0 m 3 /s DN-150 qa = 3,4 m 3 /s DN-250 qa = 10,0 m 3 /s Si la depresión pasa a 3, 4 o incluso 5 m.c.a. estos caudales aumentan en un 30, 60 y 100% respectivamente. En una instalación, el caudal máximo de una fuga accidental tiene lugar durante una rotura franca de la tubería en su parte de más pendiente, ya que la pérdida de carga lineal hacia el final del desagüe puede llegar al valor de la pendiente máxima (referida a la longitud real de la tubería) y por lo tanto puede ser calculada a partir de las formulas clásicas de la hidráulica de tuberías (Hazen-Williams, Darcy...) Conociendo el caudal que proporciona cada clapeta, es posible determinar él o los aparatos a emplear en 7

8 un punto alto de una tubería de un diámetro dado, en función de las pendientes máximas del perfil longitudinal de una parte y otra del punto considerado, para limitar la depresión. Por otra parte, cuando las líneas piezométricas que tienden a establecerse en caso de rotura en un punto bajo, pasan por debajo del perfil longitudinal de la tubería a una distancia vertical superior a la depresión admitida, es necesario colocar una válvula de entrada de aire no solamente en los puntos altos, sino también en ciertos puntos de rotura de pendiente, para volver a subir las piezométricas a un nivel aceptable. El caudal de aire que debe suministrar una válvula colocada en un punto determinado es igual a la diferencia máxima entre los caudales (de aire o de agua) respectivamente solicitados por el tramo inferior y que llegan del tramo superior después de la rotura prevista. En conclusión, se puede decir que la selección de los aductores es el criterio más importante desde el punto de vista de seguridad (incluso cuando se trata solo de vaciado controlado), mientras que la selección de los purgadores (tamaño y consiguiente diámetro de la tobera en función de la presión máxima de trabajo, además de la correcta ubicación en el perfil) es un problema de explotación, para evitar golpes de ariete y pérdidas de carga por bolsas de aire en los puntos altos y puntos altos ficticios. 4.- Ubicación Como bien dice M. Mateos, "la ubicación de las ventosas es una labor en la que se requiere experiencia". No solamente debe preocuparnos donde colocarlas sino que también, como colocarlas. Las ventosas que no se olvidan en los estudios y proyectos son las situadas en los puntos altos de las conducciones, pero aparte de en éstos existen otros muchos, muchas veces recomendados, tales como : quiebros en las tubería cambio de sección de la conducción junto a las válvulas de seccionamiento o incluso de seguridad cambio de pendiente negativa, sea ascendente o descendente incluso en tramos horizontales o ligera subida Los puntos altos reales (P.A.), no suelen presentar duda; sin embargo los llamados "puntos altos ficticios (P.A.F.)", formados por cambios de pendiente negativa, sobre todo en los tramos de poca pendiente seguidos de una pendiente fuerte, suelen ser más delicados. Como económicamente, y a veces constructivamente, no se pueden considerar todos los P.A.F. del perfil, se han escogido los siguientes criterios prácticos : Instalación de una ventosa solamente en los puntos de inflexión con cambios de pendientes superiores al 4-5%, salvo si el tramo aguas arriba tiene ya una fuerte pendiente (> 9-10%), ya que a partir de este valor, influye poco ésta sobre la velocidad ascensional de las burbujas. Examinar si se puede suprimir o minorar el P.A.F., siempre y cuando la excavación complementaria a realizar cueste menos que la instalación de una ventosa (incluyendo su correspondiente arqueta), o bien desplazando el P.A. anterior más hacia aguas abajo si la topografía lo permite. Si hay válvulas de seccionamiento (VS) a lo largo de la conducción, con o sin by-pass de llenado, hace falta un purgador-aductor a cada lado de la VS si ésta se encuentra en un P.A., o al lado más bajo de la VS si está en un tramo inclinado, debiéndose colocar el equipo sobre la misma conducción y no sobre un eventual by-pass, en caso de P.A. En caso de tener que instalar un purgador en un P.A.F. fuerte, es preferible colocarlo sobre 8

9 un codo, ya que si hay un radio en vez de un codo, una posible bolsa de aire cambia de posición en función de la velocidad del agua. En estos y otros casos y sobre todo cuando se trata de conducciones de diámetro importante conviene colocar el purgador sobre bocas de hombre, encargadas de capturar las bolsas de aire. 5.- Especificaciones En todo proyecto se trata pues de elegir unos equipos que garanticen la seguridad de la instalación ante el posible colapsamiento de la conducción por un vaciado accidental o provocado, y minimice los problemas de explotación evitando las pérdidas de carga o golpes de ariete en la misma. La certeza de que una ventosa se encuentre abierta cuando la conducción no esté en presión, se garantiza cuando pueda asegurarse que el peso del flotador es suficiente como para desenclavarse o despegarse de su asiento en cualquier circunstancia (sobre todo tras una larga permanencia en presión de la conducción). Los equipos de EINAR, fueron concebidos asimismo para ofrecer esta garantía, razón por la cual la obturación de la tobera se realiza sobre una arista de contacto (y no sobre una superficie como suele ser normal) con un punzón de acero inoxidable y un asiento en Del-Rin que garantiza por otra parte la estanqueidad en su cierre. Igualmente su diseño en altura le permite lograr, por una parte, una separación franca entre la superficie del líquido y la tobera impidiendo el posible arrastre aerodinámico de sólidos desde el agua a ésta, a la cual podría obturar, y por otra parte huir de mecanismos interiores a base de bielas y/o palancas que por su diseño o construcción pudieran agarrotarse. 9