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El aire en las tuberías (II): cálculo y dimensionado de ventosas

Vimos en la primera parte los diferentes tipos de ventosas que existen, para qué casos determinados se utilizaban y en qué puntos de la instalación se debían de instalar. En esta segunda parte veremos cómo seleccionar la ventosa adecuada según el tipo de trabajo que vaya a realizar y, para ello, nos apoyaremos en los gráficos de selección que proporcionan los fabricantes.

Empecemos por las más sencillas, los purgadores.


a) Purgadores


Los purgadores se utilizan para evacuar pequeñas cantidades de aire que transporta disuelto el agua. Para dimensionar estos dispositivos se deberá de tener en cuenta los cambios de presión y temperatura del agua en la conducción, ya que son los que ocasionan la liberación del aire. La cantidad máxima de aire disuelto en el agua a presión atmosférica (m3 de aire en m3 de agua) es el denominado Coeficiente de Bunsen (CB), y los valores de cantidad disuelta de aire según la temperatura vienen dados en la tabla siguiente:


El contenido de aire para una temperatura determinada es proporcional a la presión. A mayor presión más cantidad de aire disuelto en el agua. Por ejemplo a 2 bar de presión y para 15ºC el CB sería de 0,0402 m3 de aire en m3 de agua (es decir, 2 bar * 0,0201). Esto equivale a 40 litros de aire por metro cúbico de agua. Un aumento de la temperatura o una reducción de la presión dentro de la tubería producirían su paulatina liberación, formándose burbujas o bolsas de aire. Generalmente en las conducciones no existen unos saltos de temperatura del agua que produzcan un aumento significativo de liberación del aire disuelto, sin embargo, la variación de presión sí es significativa.


La cantidad de aire (QAIRE) que se liberará en una conducción que transporta un caudal de agua QAGUA a una temperatura t ºC con una variación de presión Δp es:


QAIRE = CB · QAGUA · Δp


Para obtener una eficaz eliminación del aire con este tipo de ventosas realmente es más importante conocer la localización de las mismas que su tamaño; incluso llega a ser más eficiente instalar más purgadores de pequeño tamaño que menos de gran tamaño.


Los fabricantes informan de la capacidad de purga de purgadores de diferente tamaño mediante gráficas caudal-presión como la siguiente.

Fig. 1 Gráfico de capacidad de evacuación de purgadores según el diámetro del orificio y la presión de trabajo (IRUA)



Para entender lo explicado veamos un ejemplo muy simple, pero práctico.


Supongamos una conducción por la que circulará un caudal máximo de 156 l/s a una presión de trabajo de 4 bar, y, en la parte final, la presión desciende a 2,5 bar. Vamos a determinar el tamaño del purgador o de los purgadores que se deberían de instalar considerando una temperatura media del agua de 10ºC.


El caudal de agua es de QAGUA = 156 l/s = 9,36 m3/min


Aplicamos directamente la fórmula vista más arriba.


QAIRE = CB · QAGUA · Δp = 0,0224 · 9,36 · (4-2,5) = 0,31 m3/min



Si vamos al gráfico de purgadores más abajo y trazamos las líneas correspondientes a la capacidad de purga a la presión de trabajo vemos que se cortan en la curva de un purgador con diámetro de orificio de 3 mm (líneas rojas). No es aconsejable instalar un solo purgador, sino varios más pequeños, ya que el desprendimiento de aire se va produciendo de una forma gradual a medida que el agua va perdiendo presión a lo largo del tramo de conducción considerado. Por tanto la opción más acertada sería instalar tres purgadores de 2,25 mm, que, según vemos en el gráfico (raya verde) darían un caudal de expulsión unitario de 0,1 m3/min.

b) Ventosas de admisión y expulsión


Para dimensionar el orificio de las válvulas de efecto cinético es necesario diferenciar las dos funciones que estos dispositivos realizan: durante el llenado de tuberías expulsan el aire que el agua empuja y durante su vaciado aspiran aire para permitir el correcto drenaje del agua.


El caudal de aire que sale de la tubería o entra en la tubería a través del orificio de la válvula ventosa es función de la diferencia de presión que se genera entre el interior de la válvula y la atmósfera.


La ecuación que determina el caudal del aire que circulará a través de un orificio es:


Por ejemplo para un diámetro de orificio de 52 mm y un diferencial de presión de 3 mca (que es el valor que normalmente se considera como luego veremos), el caudal de aire es:



Qa = 2,1·10^-3·0,7·(2·3/1,2)^0,5·36·10^4 = 1.180 m3/h


No obstante, para seleccionar la ventosa lo más apropiado es trabajar con los gráficos suministrados por el fabricante que determinan el caudal de entrada o salida de aire en función de la presión diferencial de diseño para cada modelo de válvula ventosa.


1.- Llenado de tuberías


Para el dimensionado de las ventosas se utilizarán los diagramas suministrados por el fabricante, entrando con el caudal de aire (Qa) y la presión diferencial de diseño* (∆P). Normalmente se toma una ∆P de 3-3,5 mca para que se produzca el cierre de la válvula.


(*) La presión diferencial de diseño es la presión a la que el orificio queda obturado por el flotador produciéndose el cierre dinámico de la ventosa para evitar la salida de agua una vez expulsado el aire. Es un dato a suministrar por el fabricante.


En tuberías de impulsión, se opta por el caudal que impulsa la bomba, el cual se considera como caudal de salida del aire –recordemos que se trata de vaciar el aire de la conducción que es empujado por el agua-. Dicho caudal se lleva a las curvas de descarga de la válvula ventosa y se elige aquélla que nos dé un valor próximo a 3 o 3,5 mca de presión diferencial de diseño, dependiendo del fabricante. En tuberías por gravedad, el caudal de llenado viene determinado por la presión máxima por golpe de ariete que pueda soportar la instalación. Normalmente se toma como presión máxima un 0,75 de la presión nominal de la tubería o bien la presión nominal. El caudal de llenado, suponiendo que el agua se detenga de forma repentina al final de la conducción –como ocurre en muchas instalaciones de riego-, vendrá determinado por la siguiente fórmula:


Donde,

Q es el caudal de llenado de la conducción, igual al caudal de la salida del aire (m3/s)

∆H es la máxima presión positiva permitida (mca), que suele tomarse un 0,75PN o PN

g es la aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)

S es la sección de la tubería, en m2

a es la celeridad de la onda



En tuberías de distribución donde no existe un cierre repentino por válvula, se toma como caudal de llenado el caudal normal de funcionamiento para el tramo considerado.


En cualquier caso, se recomienda que el llenado de la tubería se realice de forma controlada mediante el estrangulamiento del flujo de agua con una válvula manual o automática situada al principio de la tubería (a la salida de la bomba o depósito).


Supongamos que se va a llenar una instalación por gravedad con tubería de PVC de 184,6 mm de diámetro interior y PN de 1 MPa (10 bar) ¿qué caudal de llenado deberíamos de considerar? La celeridad de la onda es igual a 340 m/s