EL AIRE Y LAS VALVULAS DE AIRE EN LAS CONDUCCIONES - PARTE 2 A partir de apuntes tomados en capacitaciones dictadas por Giora Heimann Technical Consultant E-Mail: giorah@dorot.org.il Algo sobre el golpe de ariete El Golpe de Ariete, Golpe de Presión, u Onda de Presión (Water Hammer), es un fenómeno que se da en las conducciones y puede ser definido como la variación en la presión, (valores muy superiores y muy inferiores a los esperables en condiciones normales de operación), producto de un cambio brusco en la velocidad del agua. En el mismo, el agua que viaja a cierta velocidad por la conducción, detiene instantáneamente la velocidad, transformando la energía de movimiento en energía de presión. ENERGIA CINETICA ENERGIA DE PRESION La sobrepresión generada, llamada onda de alta presión, viaja por la conducción. Seguida de esta, se produce una segunda fase de depresión, llamada onda de baja presión. El ciclo de onda de alta presión seguido de una de baja presión se repite una y otra vez, viajando las ondas dentro de la conducción y en ambos sentidos, pudiendo ocasionar graves daños a la tubería. El golpe de ariete se verifica tanto en acueductos gravitacionales como en impulsiones y afecta a tubos, accesorios y bombas. En la fase de ALTA las tuberías se rompen por superar la presión máxima. En la fase de BAJA, las tuberías se rompen por colapso o aplastamiento. Nota: existen distintos dispositivos de seguridad y control para limitar el golpe de ariete: válvula anticipadora de onda RE, válvula de control de bombeo BC, válvula de pozo profundo DW, válvula de apertura en dos etapas TO, válvula de alivio rápido QR, etc. Para cada situación hidráulica podrá seleccionar uno o varios de los mismos. Dorot cuenta con un experimentado y reconocido Departamento Técnico, especializado en el estudio y solución del mencionado fenómeno.
Puede el aire provocar o colaborar en un Golpe de Ariete? Nadie discute la importancia de las válvulas de aire en las conducciones y acueductos. Pero este dispositivo tan importante para permite el intercambio de aire entre la conducción y la atmósfera, puede transformarse en un elemento peligroso. Veamos un par de ejemplos donde las válvulas de aire pueden jugar en contra. Ejemplo #1. Válvula de aire en picos altos intermedios Etapa 1. ACUEDUCTO PRESURIZADO El acueducto esta lleno de agua y funcionando normalmente, bajo presión. El flotante de la válvula de aire esta en el extremo superior y no sale ni entra aire, excepto el que pueda sacar el orificio de purga en su función de mantenimiento.
Etapa 2. DETENCIÓN SUBITA NO PROGRAMADA DEL BOMBEO Se genera un corte eléctrico y se detiene el bombeo. En los puntos altos intermedios se generan presiones sub-atmosféricas y se corta la columna de agua. Interviene la función cinética-vacío de la válvula permitiendo el reingreso de grandes cantidades de aire. Las presiones negativas nunca alcanzan valores peligrosos. Detención súbita del bombeo NUEVA LINEA DE PRESION DINAMICA A los pocos segundos de la detención del bombeo INGRESO DE GRANDES MASAS DE AIRE Separación de la columna de agua Válvula de aire en función CINETICA VACIO Etapa 3. RETORNO DEL FLUJO DE AGUA HACIA LA VALVULA DE AIRE Las masas de agua regresan hacia la válvula de aire. Las masas de aire que habían ingresado previamente, son empujadas por el agua a salir por la válvula de aire. El aire sale a gran velocidad y el agua se mueve a gran velocidad. NUEVA LINEA DE PRESION DINAMICA A los pocos segundos de la detención del bombeo SALIDA DE GRANDES MASAS DE AIRE
Etapa 4. CHOQUE DE LAS MASAS DE AGUA. GOLPE DE ARIETE Las masas de agua que viajaban a gran velocidad (alta carga de ENERGIA CINETICA) se encuentran, generando una alta carga de ENERGIA DE PRESION GOLPE DE ARIETE. CHOQUE DE MASAS DE AGUA A ALTA VELOCIDAD Ejemplo #2. Válvula de aire a la salida de una bomba de pozo profundo Bomba de pozo profundo, situada a gran profundidad. Impulsión cuesta arriba. Válvula de retención cerrada. Presión estática importante. Tubería de elevación vacía. Etapa 1. ARRANQUE DE LA BOMBA Se inicia el bombeo. Dado que el tubo de subida esta vacío, la bomba impulsa ALTO CAUDAL de agua a MUY BAJA PRESION. La válvula de aire permite la salida de gran cantidad de aire y el agua ascienda a ALTA VELOCIDAD. Tubería vacía. Gran cantidad de aire es liberado por la válvula de aire. El agua asciende a gran velocidad. La válvula de retención esta cerrada. 100 m. BOMBA (profunda) VALVULA DE AIRE VALVULA DE RETENCION CERRADA IMPULSION CUESTA ARRIBA SALIDA DE GRANDES MASAS DE AIRE
Etapa 2. SE LLENA EL TUBO DE SUBIDA. SE CIERRA LA VALVULA DE AIRE Se llena el tubo de subida. La válvula de aire se cierra bruscamente. VALVULA DE AIRE IMPULSION CUESTA ARRIBA La válvula de retención permanece cerrada. La masa de agua que viajaba a gran velocidad (alta carga de ENERGIA CINETICA) es detenida instantáneamente generando una alta Tubería llena. La válvula de aire se cierra bruscamente. La válvula de retención todavía esta cerrada. Hay un golpe de presión. VALVULA DE RETENCION TODAVIA CERRADA carga de ENERGIA DE PRESION GOLPE DE ARIETE. BOMBA (profunda) CHOQUE DE MASA DE AGUA A ALTA VELOCIDAD Conclusiones que se pueden sacar de los ejemplos: La válvula de aire es un excelente dispositivo para dejar escapar el aire que esta siendo empujado por el agua. Si el agua no tiene ninguna restricción, adquiere alta velocidad. Cuando la válvula de aire se cierra bruscamente obliga al agua a detenerse instantáneamente. La detención brusca del agua, transforma la energía cinética en energía de presión. Se genera un GOLPE DE ARIETE.
Se puede hacer algo para evitar el Golpe de Ariete? Si la salida del aire es demorada, también será demorado el avance del agua. Una disminución en la velocidad del agua diminuirá la ENERGIA CINETICA y por ende la ENERGIA DE PRESION. La idea es utilizar el aire como una suerte de cojín o bolsa de aire ( air-bag ). a menor menor menor VELOCIDAD DE SALIDA DEL AIRE VELOCIDAD DE AVANCE DEL AGUA ENERGIA DE PRESION DEL AGUA Que es el dispositivo SA limitador de onda de las válvulas DAV M? El SA es un dispositivo que se instala en cualquier válvula de aire de la serie DAV-M, el cual esta provisto de un disco de PEAD. El mismo limita la velocidad de salida del aire. Si el aire esta saliendo de la válvula a velocidad normal, lo hará por el orificio cinético principal. El dispositivo SA no cumplirá ninguna función. El disco estará en la posición inferior. Si el aire esta saliendo a velocidad excesiva, el disco del SA asciende y cierra el orificio cinético. El aire se verá obligado a salir por el/los orificio/s menor/es. El caudal de aire será menor. Orificio cinético. Alto caudal de aire. Orificios menores. Menor caudal de aire. La cantidad de orificios menores que se dejen abiertos es variable y puede ser calculado. Consulte al Departamento Técnico de Dorot sobre el dimensionamiento vinculado con el SA - limitador de onda.
Orificio menor Disco del SA El dispositivo SA solo actúa cuando esta saliendo aire a alta velocidad. ALTO CAUDAL DE AIRE BAJO CAUDAL DE AIRE Disco del SA en posición inferior Disco del SA en posición superior SALIDA DE AIRE A VELOCIDAD NORMAL Flotante principal y flotante superior, ambos en posición inferior Disco del dispositivo SA en posición inferior Salida de grandes caudales de aire. SALIDA DE AIRE A MUY ALTA VELOCIDAD Flotante principal y flotante superior, ambos en posición inferior Disco del dispositivo SA en posición superior Salida de pequeños caudales de aire. LA VELOCIDAD DEL AGUA ES LIMITADA POR EL AIRE
Donde se deben ubicar las válvulas de aire con dispositivo SA limitador de onda? SA - limitador de onda. Al disminuir el caudal de salida de aire, disminuye la velocidad del agua. EN PICOS ALTOS INTERMEDIOS DONDE EXISTA LA POSIBILIDAD DE RUPTURA DE LA VENA LÍQUIDA Y RIEGO DE GOLPE DE ARIETE SA - limitador de onda. Al disminuir el caudal de salida de aire, disminuye la velocidad del agua. A LA SALIDA DE BOMBAS DE POZO PROFUNDO, EN IMPULSIONES CUESTA ARRIBA, CON PRESENCIA DE VÁLVULA DE RETENCIÓN
SA - limitador de onda. Al disminuir el caudal de salida de aire, disminuye la velocidad del agua. FINALES DE TUBERIAS
AirCAD, el software de para dimensionamiento y posicionamiento de las válvulas de aire en conducciones. El AirCAD es una herramienta que ayuda a los técnicos a dimensionar las válvulas de aire y determinar su ubicación en acueductos y conducciones. El mismo no reemplaza el criterio del profesional. Que información necesita AirCAD para operar: Perfil topográfico de la conducción. A partir de una polilínea de Autocad o bien de una planilla de Excel con 2 columnas: progresiva / altimetría (*). Datos de la tubería: material, diámetro, espesor. Caudal. Presencia de bombas, válvulas de retención, cisternas, etc. Que parámetros permite el AirCAD que el técnico modifique: La distancia máxima-mínima entre cada válvula de aire. Que resultados arroja el AirCAD: Cantidad y tipo de válvulas de aire. Ubicación de las válvulas de aire. Como presenta los resultados el AirCAD: Como archivo dxf de Autocad (*). Como archivo de Excel. (*) AirCAD, además de ser una excelente herramienta para el dimensionamiento y posicionamiento de las válvulas de aire, como beneficio adicional, si la información original proviene de un archivo Excel la transforma en una polilínea de Autocad.
Lista de válvulas de aire ========================= Tubería: 1. Estación Distancia Elevación Tipo Recomendado válvulas Opción A Opción B 100,00 52,00 KA DAV- MS- 4- KA DAV- MH- 3- KA 350,00 250,00 59,00 KA DAV- MS- 4- KA DAV- MH- 3- KA 950,00 600,00 61,00 KA DAV- MS- 4- KA DAV- MH- 3- KA 1250,00 300,00 64,00 KA DAV- MS- 4- KA DAV- MH- 3- KA INGENIERIA DEL AirCAD. Algunos aspectos tenidos en cuenta por el software: Las válvulas de aire deben drenar el aire de la conducción durante el llenado y por cada m3 de agua que ingrese, debe poder salir un m3 de aire. Las válvulas de aire deben permitir el reingreso de aire durante el vaciado, y por cada m3 de agua que salga, debe poder ingresar un m3 de aire. Las válvulas de aire deben drenar las burbujas de aire acumuladas en las partes altas en forma automática, con la conducción presurizada. Para calcular el caudal de aire que fluye a través del orificio de la válvula se utiliza la ecuación de Bernoulli V=sqrt (2g*k/(k-1)*P1/ρ*sqrt {[(P2/P1)^(2/k)]-[( P2/P1)^[(k+1)/k]} V= velocidad del flujo del aire comprimido k- Coeficiente de expansión del gas (aire= 1.4) ρ = densidad del aire comprimido (depende de la presión) P2/P1= relación de presión a través del orificio El resultado obtenido será afectado por el coeficiente de eficiencia de la válvula. Si bien en base a pruebas y ensayos Dorot determinó que el coeficiente de eficiencia de sus válvulas es de 0.73, a los efectos de la utilización del AirCAD ha adoptado 0.60. El caudal de aire obtenido por Bernoulli y afectado por la eficiencia de la válvula es la base para el dimensionamiento del tamaño del orificio de la válvula de aire. El orificio debe ser tal que permita la entrada o salida del aire a una tasa equivalente al flujo de agua generando un dh de 2 mca. Esto genera un flujo de aire a través del orificio a una velocidad de 35 m/seg.