EL AIRE Y LAS VALVULAS DE AIRE EN LAS CONDUCCIONES - PARTE 1 A partir de apuntes tomados en capacitaciones dictadas por Giora Heimann Technical Consultant E-Mail: giorah@dorot.org.il Comencemos recordando el ORIGEN del aire en las tuberías Si bien es común la expresión esta tubería esta vacía, en realidad lo que queremos expresar es que no tiene agua. Realmente esta llena de AIRE. Durante el llenado de la misma, el AGUA que esta siendo incorporada, debe desplazar el AIRE EXISTENTE. Tubería llena de aire Durante el bombeo, el agua ingresa desplazando el aire. El aire debe ser evacuado. Tubería llena de agua. El aire ha sido desplazado Una tubería de PVC clase 6 de 250 mm, posee un diámetro interno de unos 235 mm. Esto implica que por cada 1000 metros de conducción, existirán unos 43.000 litros de agua que deberán ingresar a la tubería para llenarla, e igualmente, y si la tubería esta vacía (es decir, llena de aire), habrá unos 43.000 litros de aire que habrá que desalojar. Pero durante el vaciado, el espacio que deja el agua es ocupado por aire.
En instalaciones defectuosa, o al descender el nivel de la fuente de agua, es posible que la aspiración o succión de la bomba este incorporando aire a la conducción Además, existe aire DISUELTO en el agua, que al variar las condiciones de presión / temperatura, pasa a aire atmosférico. Que problemas trae la presencia de aire en las conducciones Lo primero que debemos recordar que el aire, a diferencia del agua, el aire es capaz de ser COMPRIMIDO. O sea, al aumentar la presión, el mismo disminuye su volumen. El aire puede ser el desencadenante de ondas de presión y golpes de ariete. Otro efecto indeseable del aire en las conducciones es la acumulación en los puntos altos en forma de BOLSONES. Los bolsones de aire generan importantes inconvenientes especialmente en las conducciones planas, con escasa pendiente o en conducciones de baja velocidad, donde el flujo del agua no es capaz de arrastrar el aire. Que problemas trae la presencia de vacío en las conducciones Cuando decimos vacío, en realidad nos referimos a presiones negativas, sub-atmosféricas. Durante el vaciado o drenaje de las tuberías, sea que se este realizando en forma programada y controlado o sea que ocurra en forma violenta producto de una rotura, las presiones negativas pueden generar colapso y aplastamiento del tubo. Este fenómeno se da especialmente en los tubos plásticos, especialmente los de baja clase (escaso espesor de pared).
VALVULA DE SECCIONAMIENTO CERRADA PRESIONES SUB-ATMOSFERICAS COLAPSO DE LA TUBERIA El colapso puede o no traer roturas inmediatas. Pero sin dudas debilita la tubería, en especial en las juntas de goma. Probablemente muchas de las pérdidas experimentas por las juntas de goma bajo presión, tienen su origen en situaciones de colapso previas. Que tipos de válvulas de aire existen Hay 3 tipos de válvulas de aire: Válvulas cinética Válvula automática Válvula combinada VALVULA CINETICA También es llamada ventosa de aire-vacío Opera a BAJA PRESION (pocos metros). LIBERA GRANDES VOLUMENES de aire durante el LLENADO de la tubería. REINGRESA GRANDES VOLUMENES de aire durante el VACIADO de la tubería. La misma presentan un orifico, llamado orificio cinético, por donde sale y entra el aire. La función cinética es sin dudas la principal función de las válvulas de aire.
Mientras la conducción esta llena de agua y presurizada, la función cinética se cierra y no opera; solo trabaja durante el llenado y vaciado de la tubería. Las tradicionales válvulas cinéticas, poseen un flotante HUECO, en forma de esfera. Este diseño tradicional de válvulas de aire presenta las siguientes características: El orificio cinético normalmente es de menor sección que el diámetro nominal de la brida. El flotante hueco, sea plástico o de acero inoxidable, suele aplastarse y deformarse. Inmediatamente la válvula pierde agua. Es la principal pieza de recambio de estas válvulas. En acueductos presurizados durante largo tiempo, es frecuente que el flotante se pegue al asiento de goma, dificultando la reapertura de la válvula. Hay riesgo de cierre prematuro, con baja presión. VALVULA AUTOMATICA También es llamada purga. Opera a ALTA PRESION (varios kg/cm2). LIBERA PEQUEÑOS VOLUMENES de aire PRESURIZADO existente en la conducción. Es una función de mantenimiento. El orificio por donde sale el aire en la válvula automática, es llamado orificio automático y solo es importante liberando el aire presurizado. No reemplaza al orificio cinético. El diseño tradicional de las válvulas de aire automáticas presenta las siguientes características: Poseen un flotante hueco, en forma de esfera o similar. Suelen existir piezas móviles, propensas a trabarse o desgastarse.
VALVULA COMBINADA También es llamada trifuncional = aire - vacío - purga En una misma unidad, se encuentra la función cinética y la automática. a BAJA PRESION (pocos metros). LIBERA GRANDES VOLUMENES de aire durante el LLENADO de la tubería y REINGRESA GRANDES VOLUMENES de aire durante el VACIADO de la tubería a ALTA PRESION (varios kg/cm2), LIBERA PEQUEÑOS VOLUMENES de aire PRESURIZADO. El diseño tradicional de válvula de aire combinada presenta las siguientes características: Existe un cuerpo para la función cinética y un adosado a este, un segundado cuerpo para la función automática.
BOLETIN TECNICO #07 Que ofrece en válvulas de aire Válvula combinada DAV-MH-KA SELLO DE FUNCION CINETICA ORIFICIO AUTOMATICO SELLO DE FUNCION AUTOMATICA FLOTANTE SUPERIOR FLOTANTE PRINCIPAL VASTAGO Diseño moderno, el cual fue elaborado considerando la norma estadounidense AWWA C512. Diseño compacto. En un único cuerpo, coexiste la función cinética y la función automática. Facilidad de instalación. Hay mejor aprovechamiento del espacio. El área del orificio cinético, concuerda con el área de la brida de conexión (DAV-MH). Flotante de PEAD compacto. Frente a los golpes de presión (cierre brusco), no existe posibilidad de deformación o abolladura. El diseño del flotante posibilita que durante la función cinética de eliminación de aire, la válvula permanezca abierta por más tiempo, incluso a velocidades muy altas. Posibilidad de realizar tareas de mantenimiento sin necesidad de quitar el cuerpo de la válvula de la instalación. Posibilidad de instalar dispositivo SA - limitador de onda, sin necesidad de quitar el cuerpo de la instalación. Disponible en 2 versiones: MS = flujo standard / MH = alto flujo. Cuerpo, tapa y disco de sello cinético elaborados en fundición dúctil.
Ejes internos, guías y bulonería de acero inoxidable. Flotador principal y flotador superior de PEAD. Sellos internos en NR y EPDM. Disponible en PN16 y PN25. Disponible en 2 / 3 / 4 / 6 / 8 / 10 / 12. Conexión roscada y bridada. Como opera la DAV-MH-KA DAV-MH-KA abierta Función cinética trabajando, eliminando aire DAV-MH-KA cerrada Función cinética y automática no trabajando DAV-MH-KA abierta Función cinética trabajando, ingresando aire DAV-MH-KA función cinética cerrada Función automática trabajando, eliminando aire presurizado
PREFORMANCE VALVULA COMBINADA DAV-MH-KA La familia de válvula de aire DAV VALVULAS DAV PLASTICAS DAV-P-1K válvula plástica - cinética - 1 DAV-P-2K válvula plástica - cinética - 2 DAV-P-1A válvula plástica - automática - 1 DAV-P-2-KA válvula plástica - combinada (cinética+automática) - 2 VALVULAS DAV METALICAS DAV-MP-1A válvula metálica - automática - 1 DAV-MP-2KA válvula metálica - combinada (cinética+automática) - 2 DAV-MS-K válvula metálica - flujo standard - cinética - de 3 a 12 DAV-MS-KA válvula metálica - flujo standard - combinada (cinética+automática) - de 3 a 12 DAV-MH-K válvula metálica - flujo alto - cinética - de 2 a 10 DAV-MH-KA válvula metálica - flujo alto - combinada (cinética+automática) - de 2 a 10
ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE LA PERFORMANCE DE LAS VÁLVULAS DE AIRE Y EL DIMENSIONAMIENTO Lo primero que debemos recordar es que el aire es un fluido compresible. Si se encuentra aire comprimido o presurizado dentro de una tubería (AIRE VOLUMETRICO), al ser liberado a la atmósfera fuera de la válvula, el mismo se expande y ocupa mucho mayor espacio (AIRE ATMOSFERICO). El AIRE VOLUMETRICO esta relacionado con los m3 internos de la tubería y por ende los m3 a desplazar por el agua. Muchos fabricantes, en forma engañosa, presentan los valores de performance de sus válvulas, no expresados como AIRE VOLUMETRICO, sino como AIRE ATMOSFERICO (el volumen final que adquiere el aire al expandirse luego de salir por la válvula). Vinculado con el tamaño de las válvulas de aire, es muy común encontrar tablas que relacionen en forma lineal el DIAMETRO DE LA TUBERIA con el DIAMETRO DEL ORIFICIO CINETICO DE LA VALVULA. Es así que dicen: hasta X Ø de tubo, utilizar válvulas de 2, hasta X Ø, utilizar... Error. El tamaño del orificio cinético, la cantidad de válvulas y su ubicación, no solo se relacionan con el volumen de aire que debe ser desplazado, sino en que tiempo debe ser hecho. O sea CAUDAL (volumen/tiempo).
Para calcular correctamente el caudal que pasa a través de un orificio, debe utilizarse 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 Por otro lado, cada válvula y producto de su diseño, presenta un coeficiente de eficiencia, el cual modifica la capacidad de descarga teórica de la misma. Es obligación del fabricante determinar la eficiencia de su válvula en base a pruebas y test de control También es frecuente que los fabricantes no expresen cual es el diámetro del orificio cinético de la válvula. Y a que se debe esto? -Porque el orificio cinético de la válvula es sensiblemente mas pequeño que el diámetro nominal de la válvula. Ejemplo: la válvula es DN200, con brida de 8, pero su orificio cinético es de 150 mm (6 ). Para el adecuado dimensionamiento y posicionamiento de las válvulas de aire en acueductos y conducciones, Dorot posee el software AirCAD. Ver Boletín Técnico #8. Donde Ubicar las válvulas de aire? EN PUNTOS ALTOS INTERMEDIOS Si existen 2 picos altos intermedios cercanos, se deberá seleccionar el más elevado. A LA SALIDA DE IMPULSIONES AGUAS ARRIBA Y AGUAS ABAJO DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL Y DE OTROS DISPOSITIVOS
VARIACION DE LA PENDIENTE (disminución) VARIACION DE LA PENDIENTE (aumento) EN SITIOS DONDE HAY RIESGO DE COLAPSO DE TUBERÍA (p. ej. salida de tanques) 800-1000 m AL FINAL DE TUBERIAS CIEGAS EN PENDIENTE UNIFORME Y PROLONGADA, CADA 800-1000 METROS Se deberá reducir dicha distancia en los siguientes casos: si la tubería es altamente sensible a condiciones de colapso o hay alto riesgo de presiones negativas. donde desde la fuente del agua se pueda introducir grandes cantidades de aire. en topografías montañosas, donde las diferencias de elevación son relativamente altas. en sistemas de baja presión. En los puntos intermedios con posibilidad de ruptura de la vena líquida y riesgo de golpe de ariete, se deberá incorporar en la válvulas de aire el dispositivo SA (surge arrest) - limitador de onda. Ver Dorot Boletín técnico #8.