Este Boletín Técnico analiza los problemas que el aire causa en toda instalación de sistemas de abastecimientos de aguas y la forma de eliminar ó compensar los mismos.
COMEVAL, S.L. www.comeval.es Depto. Técnico. Ref. BOL-TEC-VENT-ABAST-04/06
Causas que provocan la entrada de aire en los sistemas de agua: El aire ingresa en los conductos de agua por aquellos puntos donde la presión interna es cercana a la presión atmosférica. Las causas más frecuentes son, por ejemplo: Entrada de aire durante la fase de arranque de la bomba. Toma de aire cuando el nivel del líquido esta por debajo de la vía de entrada de la bomba. Toma de aire por efecto VORTEX creada por la bomba. Toma de aire de la balsa debido a la toma de aire de bomba por un incorrecto sellado de la misma. Emulsión de aire disuelto en balsas ó presas. Evacuación incompleta de aire en el proceso de llenado del conducto. Efectos y problemática que el aire plantea en los sistemas de aguas: El aire se disuelve en forma de emulsión ó burbujas y se acumula en los puntos altos de la red de abastecimientos donde el aire liberado por el agua (causado por la pérdida de carga) se añade al aire que esta siendo transportado en las conducciones, de modo que una gran masa de aire se crea dentro del sistema pudiendo comprometer la operación del mismo si no es controlada y eliminada. Los principales problemas que esta masa de aire dentro del sistema puede causar si no es adecuadamente eliminada son los siguientes: Importante disminución de caudal e incluso la interrupción del mismo. Mal funcionamiento de la bomba Mal funcionamiento del sifón Aparición de golpes de ariete causados por bolsas de aire incontrolado ó repentina expansión de estas bolsas de aire. Incremento del nivel de pérdida de carga lo cual requiere mayor consumo de potencia en la bomba y por tanto pérdidas económicas. Incremento de la corrosión de las paredes interiores de la tubería. Por lo anteriormente resumido, queda claro que el aire debe de ser eliminado de las conducciones de agua en grandes cantidades, no obstante, es muy importante permitir la entrada de aire en el sistema para evitar problemas de depresión en los siguientes casos: - Una fuga de agua por rotura. - Operaciones de descarga accidentales e incontroladas. Como solucionar el problema causado por el aire en los sistemas de agua: Una vez analizadas las causas y la problemática que el aire provoca en los sistemas de agua, se detalla como solucionar este fenómeno de forma efi ciente mediante la utilización de ventosas. La utilización de ventosas en si mismo no es efi ciente si no se cumplen correctamente otros factores por parte del instalador e ingeniero de aplicación. Podemos determinar el proceso integral de eliminación del aire en los sistemas de agua en tres pasos: 1.- Diseño del sistema de tuberías 2.- Selección de las ventosas 3.- Colocación y dimensionado de las ventosas.
1.- Diseño del sistema de tuberías Las líneas de tuberías deben de ser previstas para formar un esquema de instalación (layout) en forma de dientes de sierra con pendientes variando de 2 a 3 por mil en las secciones aguas arriba y de 5 a 6 por mil para las secciones aguas abajo. Esta disposición ayudará convenientemente a la acumulación del aire en las partes más altas y así proceder a descargar el aire a través de las ventosas, impidiendo la formación de bolsas de aire en las partes más empinadas de las subidas. Se recomienda no diseñar y colocar las tuberías de forma alineada ya que el aire no se concentraría en un punto y circularía sin control en cantidades mayores. Como veremos más adelante, se debe de prestar atención particular a los cambios de pendiente, prever puntos máximos de pendiente aguas abajo de compuertas parcialmente abiertas ó cambios de diámetro. También se debe de prestar atención a la velocidad, diferentes estudios han demostrado una relación entre la pendiente y descenso en casos de particular baja velocidad. El instalador ó diseñador de planta debe de realizar una disposición de planta ó layout que favorezca la acumulación de aire en un punto para ser mejor eliminado con la utilización de válvulas automáticas de aire (Ventosas). 2.- Selección de las ventosas Es práctica habitual especifi car una ventosas por su diámetro sin consideración de los factores que infl uencian la toma y descarga de aire como: - diseño y configuración interior de las ventosas, - dimensión del orificio principal, - presión diferencial a través del orifi cio principal. Por tanto, el ingeniero de aplicación debe de tener en consideración algunos datos para la efi ciente selección de ventosas como los que se describen a continuación: Seleccionar una sección de orifi cio grande; debe de ser lo más amplia posible para garantizar una mayor toma de aire en caso de ruptura del conducto. Entrada de aire; el caudal de entrada de aire debe de ser buscado en las curvas del fabricante a un Dp máximo de 0.30 bar en el orificio principal dado que por encima de este límite no existe incremento en el caudal de aire (alcanzando velocidad sónica a 0.5 bar) y normalmente, el sistema de tuberías, incluyendo juntas y válvulas, no es capaz de soportar mayores condiciones de vacío. Salida de aire; debe de estar limitada a un Dp máximo de aproximadamente 0.05 bar en el orifi co grande, correspondiendo a una velocidad de llenado de aproximadamente 1 m/seg., ya que un mayor diámetro podría causar golpes de ariete durante la fase de cierre con el consiguiente daño del sistema. Se recomienda la utilización de válvulas automáticas para limitación de golpes de ariete en los sistemas, adicionalmente a las ventosas para la evacuación de aire. 3.- Colocación y dimensionado de las ventosas. Como ejemplo ilustrativo de este artículo hemos diseñado un layout típico donde se han colocado las ventosas necesarias así como las válvulas anti golpe de ariete. Las ventosas deben de colocarse para la realización de las siguientes funciones: a).- Admitir grandes volúmenes de aire a través del orifi cio principal. b).- Descargar grandes volúmenes de aire a través del orifi cio principal c).- Liberar el aire bajo presión.
Siendo estas las tres funciones a realizar por la ventosa de triple efecto. a).- Admisión de Aire: Las ventosas deben de estar dimensionadas para proteger la tubería del vacío que puede ser causado por la rotura de la tubería ó por un paro de bomba repentino causado por separación de columnas. La colocación de las ventosas en el sistema de tuberías deben de estar guiada por las siguientes recomendaciones: - Puntos geométricos altos: Para dimensionar una ventosa, el máximo caudal en el punto alto debe de estar determinado utilizando la siguiente fórmula, la cual es válida en caso de estado absolutamente turbulento: Q = i.d5/β Q (expresado en m3/seg.), i = pendiente expresada en mm/m D = Diámetro expresado en m. β = Coeficiente de resistencia del tubo Para la selección del DN de la ventosa sugerimos evaluar las curvas de caudal y elegir un diámetro que garantice una condición de vacío por debajo de 0.30 bar dentro del conducto. Cuando se realice la elección, hay que considerar que la alta velocidad del aire entrando en ventosas tradicionales de doble función causa una depresión debajo del orifi cio principal llamado Efecto Venturi el cual atrae la bola hacia arriba causando una reducción de la sección de paso y, por tanto, una reducción del caudal de toma de aire. La tabla nos facilita la consulta ya que los caudales resultantes han sido trazados para cada DN con descarga libre y a unas pendientes determinadas.
- Cambios de pendiente negativos: Se definen como el incremento del tramo de pendiente descendiente ó la disminución del tramo de pendiente ascendiente. En caso de paro de bomba ó rotura del sistema de tubería se crea una cavidad gaseosa igual a la diferencia de caudal entre ambas pendientes. Esta cavidad gaseosa de caudal de aire Qc a evacuar se determina por la ecuación Qc = Q2-Q1, donde Q2 indica el caudal en el punto más elevado de la pendiente y Q1 indica el caudal en el punto más plano de la pendiente. - Tramos de largo ascenso: Si el segmento ascendiente es largo, una ventosa debe de colocarse en lo alto de la sección y en cada 500 m. para garantizar la salida y entrada de aire durante el llenado de tubería y operaciones de vaciado. Los cálculos deben siempre de estar basados en condiciones de rotura de tubería ó paro de bomba. - Tramos de largo descenso: Las consideraciones para la selección y la instalación son idénticas a las de los segmentos de ascenso del punto anterior. - Tramos largos horizontales: Los tramos horizontales de largo recorrido deben de ser evitadas tanto como sea posible, si no es posible, se sugiere colocar una ventosa cada 500 m y dimensionarla de acuerdo al cálculo del llenado del conducto. - Estación de Bombeo Aguas debajo de la válvula de retención: El caudal de la ventosa debe de ser equivalente a la capacidad de la bomba. Si la bomba parara de repente causando separación de columna, las ventosas convencionales en este punto no son capaces de controlar la descarga de aire cuando los dos frentes comienzan a unirse causando así el golpe de ariete. Las válvulas anti golpe de ariete son utilizadas para prevenir este fenómeno. b).- Salida de aire: Las reglas analizadas para la elección de la ventosa en el caso de toma de aire son también válidas para este caso. Hay que considerar también que las válvulas convencionales de doble función se cierran prematuramente descargando aire a una presión diferencial máxima a través del orifi cio principal mayor de 0.05 bar debido al fenómeno de cierre dinámico. Las ventosas de triple efecto pueden, en cambio, descargar aire a alta velocidad. c).- Descarga de aire: La descarga de aire de cada ventosa depende de la existencia de una relación crítica entre el área de entrada y el volumen del flotador. Bajo presión, el aire y el agua desarrollan dentro de las ventosas presiones opuestas y equivalentes que eliminan una a la otra excepto aquella sección en contacto con el orifi cio de salida que esta sujeto a presión atmosférica y no puede compensar el empuje vertical desde abajo del fl otador. El fl otador esta así expuesto a una fuerza F = AxP, donde A = área de entrada, P = Presión de trabajo. Si la fuerza resultante excede el peso del fl otador, se aplastaría contra la entrada no permitiendo la descarga de aire. Por esta razón una misma ventosa diseñada a PN 10 puede tener una mayor orifi cio de entrada que otra a PN 25. Es difícil determinar de antemano la cantidad de aire atrapado que puede ser liberado de un sistema y el dimensionado de la ventosa es una decisión muchas veces basada en la experiencia. La entrada de la ventosa, en cualquier caso, debe de ser lo más amplia posible para maximizar el intercambio de aire y agua en ella. Consultar las Fichas Técnicas de las Ventosas de Triple Efecto FOX 3F y válvulas de anti golpe de ariete SCF.
Su gama integral de válvulas para la Técnica de cli ma ti z- a ción, Aguas y Procesos des de una sólida Compañía fl exi ble y competente con 30 años de experiencia en el mercado. Solicite nuestras pu bli ca cio nes! desde www.comeval.es Contacte con nuestros especialistas y distribuidores en cualquier punto del país! ANDALUCIA / EXTREMADURA Avda. Villas de Cuba, 13-3ºB 41007 Sevilla Tel.: 954 260 541 Fax: 954 260 541 e-mail gcoca@comeval.es ARAGON / RIOJA C/. Boyero, 34 50012-Zaragoza Zaragoza Tel.:976 458 084 Fax.:976 458 084 e-mail vbalfagon@comeval.es CATALUÑA C/ Cervantes, nº 6 Bajo 08291 Ripollet ( Barcelona ) Tel.: 935 806 542 Fax: 935 803 126 e-mail jbalfagon@comeval.es LEVANTE C/. Les Rotes, 15 Pol. Ind.El Puig 46540 El Puig Valencia Tel.: 902 444 066 Fax.: 961 472 799 e-mail mgarcera@comeval.es MADRID / CASTILLA LA MANCHA Marqués de Pico Velasco, 45-Local 2 28027-Madrid Madrid Tel.: 91-3678926 / 3679179 Fax.: 91-3679312 e-mail acarvajal@comeval.es NORTE C/ Illetas nº 9 A - 3º C 48991 Getxo ( Vizcaya ) Tel. 944-31 91 82 Fax 944-31 91 83 e-mail acuevas@comeval.es desde 1974. www.comeval.es Les Rotes 15 46540 El Puig (Valencia) Fax: 961 472 799 comeval@comeval.es GALICIA / NOROESTE C/ Virgen del Camino, 6-2º D 36001 Pontevedra Tel. : 986 85 05 73 Fax : 986 85 05 73 e-mail elorenzo@comeval.es Válvulas y equipos para el Control de Fluidos Línea de atención comercial: 902 444 066