Una solución contra el golpe de ariete negativo: Instalación de ventosas trifuncinales de levas Begoña López-Boado Ingeniera Válvulas Autmáticas Ross, S.A. www.valvulasross.com Introducción Cuando se produce una parada de bombas, la primera señal que se detecta, en la presión, es una disminución de la misma. Este fenómeno puede ocasionar una presión negativa en la conducción que puede alcanzar valores extremos. La caída de la presión interna por debajo de la presión atmosférica en una conducción puede provocar: - Colapso o aplastamiento del tubo si este es de tipo flexible (PE, PVC, PRFV, ACERO) - Daño en las juntas de los tubos si estos son de tipo rígido - Sobrepresiones exageradas provocadas por la implosión de las burbujas No siempre se valoran los efectos negativos del golpe de ariete negativo, de hecho, a veces, ni se calcula, pero el peligro existe. PRESION GOLPE ARIETE CIERRE DE VÁLVULA 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 TIEMPO PRESION GOLPE ARIETE PARADA BOMBAS 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 TIEMPO Cuantificar golpe de ariete en una conducción bien de gravedad o impulsión siempre ha sido complicado; diferentes autores han diseñado sistemas de cálculo para poder llegar a un valor y determinar la solución del mismo.
Hoy en día existen programas de cálculo permiten acometer este estudio de forma sencilla y bastante eficaz. En particular vamos a estudiar este fenómeno con el SURGE2, diseñado por el Dr. D. J. Wood, del Civil Engineering Software Center, Universidad de Kentucky, USA. No es este el lugar para hablar del proceso de cálculo del programa sino de los resultados que se obtienen cuando se utilizan ventosas apropiadas en la solución del problema que se plantea. Precauciones previas Lo primero que tenemos que adelantar es que no todas las ventosas sirven para solucionar el problema, lo segundo que no todas las conducciones afectadas por un golpe de ariete negativo peligroso, se pueden solucionar con ventosas. Estas dos premisas las iremos demostrando más adelante. Un caso concreto Vamos a comentar un caso solucionado con ventosas concretas. Se trata de una conducción de Polietileno, con un diámetro interior 226 mm, un perfil bastante tendido y con varios puntos altos a lo largo de la misma, el caudal es de 4 l/s. Ante una parada de bombas se produce una oscilación de la onda de presión a lo largo de toda la conducción como la que se presenta a continuación (la línea azul representa la traza de la conducción, la línea verde la línea de presión máxima y la línea roja la línea de presión mínima). Si analizamos la oscilación de la presión a la salida de la bomba, observamos que la presión ha alcanzado la depresión absoluta, las puntas de presión, instantáneas, que se observan, se deben a los efectos de la depresión en otros puntos de la conducción.
Pump-1 3 2 1-1 5 1 15 2 25 3 Discharge Suction Dado que la conducción es de PE podemos presumir un daño irreversible en el tubo incluso a corto plazo si no se plantea ningún sistema de protección. Obsérvese ahora los resultados instalando ventosas apropiadas en todos los puntos altos de la conducción (vemos que incluso faltaría una ventosa en cabeza de bombeo, la cual se suele instalar casi siempre). La oscilación de la presión a salida de al bomba también ha mejorado sustancialmente: 3 Pump-1 25 2 15 1 5-5 5 1 15 2 25 3 Discharge Suction
La presión negativa se ha convertido ahora en un problema menor, con valores perfectamente admisibles por la conducción tanto a corto como largo plazo. Obsérvese, por último, el efecto de colocar en los mismos puntos lo que denominamos ventosas inapropiadas: Oscilación de la presión en la salida del bombeo: 6 Pump-1 5 4 3 2 1-1 -2 5 1 15 2 25 3 35 Discharge Suction Esta es la curva en una de las ventosas; en el resultado se aprecia que ha impedido, en su punto, la bajada de la presión por debajo de la presión atmosférica, pero ha provocado una punta de presión positiva que repercute en toda la instalación. 4 AIR-5 35 3 25 2 15 1 5-5 5 1 15 2 25 3 35 Internal External Diferencias entre ambas ventosas Desde luego para que el programa pueda valorar el efecto de la ventosa hay que conocer su capacidad. Muchos fabricantes indican cuervas de capacidad que luego es difícil de conseguir en obra. Las que llamamos ventosas apropiadas son aquellas donde el diámetro de entrada de aire en la conducción y el de salida de aire son distintos y conocidos. El efecto beneficioso de la ventosa se produce por la entrada de aire en cantidad y tiempo suficiente para las características de la conducción para evitar la caída de la presión a valores negativos críticos. La entrada de aire permite la separación de las dos venas de agua, antes y después del punto de la ventosa, evitando pues la presión negativa. Pero una vez introducido el aire este debe salir por donde ha entrado, si lo hace muy rápido se produce un choque en las dos venas de agua previamente separadas que provoca puntas de presión elevadas, llegando a dañar a la conducción e incluso a los elementos internos de la ventosa. Las ventosas apropiadas eliminan el aire
de la conducción por orificios de pequeño diámetro y en presión, amortiguando la unión de las dos venas, ya que aire al salir por un orificio pequeño sale lentamente frenando dicha unión. Solamente dos tipos de ventosa permiten garantizar este fenómeno: La ventosa bifuncional, llamada antivacio con purgador. de MULTIPLEX mfg Co. y la ventosa trifuncional con sistema de doble leva, en particular el modelo UNIVERSAL de MULTIPLEX mfg Co. En caso de no tener la conducción puntos altos claros el resultado podría ser similar pero se crea una incertidumbre importante, a saber el aire es introducido por las ventosas pero al no tener una pendiente de convergencia hacia la salida atmosférica, es muy posible que se quede en la conducción pudiendo crear bolsas de aire que dañen la conducción. Las llamadas ventosas inapropiadas son aquellas donde el diámetro de salida y de entrada de aire es similar. Dentro de este tipo estarían las ventosas trifuncionales de doble bola, en todas las variantes que se pueden encontrar en el mercado. Este tipo de ventosa son apropiadas para otras funciones.
Resumiendo - No todas las conducciones aceptan la solución con ventosas para amortiguar el golpe de ariete negativo. La geometría de su traza es básica - La depresión por golpe de ariete negativo se puede producir tanto en conducciones por gravedad como en impulsiones - No todas las ventosas son eficaces para proteger a una tubería del golpe de ariete negativo algunas incluso acrecientan el problema - Existen programas informáticos que permiten cuantificar tanto el valor del golpe de ariete negativo como su solución