Un fluido como el agua, se traslada en la mayoría de los casos mediante conducciones. Si disponemos de una pendiente favorable y de suficiente altura entre un punto y otro puede realizarse este traslado sin necesidad de aportar energía, ya que la diferencia de alturas nos proporcionaría la energía necesaria para llevar el agua de un punto a otro. En los casos en los que sea preciso, ya sea porque la diferencia de cota resulte insuficiente o bien porque necesitemos de un valor determinado de presión, tendremos que aportar energía al agua.
1. Conducciones a sección parcial
El agua en el interior de las tuberías puede circular ocupando toda su sección o bien una parte de su sección.
Las conducciones a sección parcial son generalmente empleadas en saneamiento para el traslado de las aguas residuales. No es objetivo de esta entrada abordar el saneamiento con presión o el saneamiento por vacío. Estos temas podrían ser tratados en un futuro.
En el caso de aguas residuales, no es recomendable bajar de 200 mm de diámetro interior de la conducción con el fin de reducir el riesgo de atascos. Una sección inferior aumenta considerablemente este riesgo. Asimismo se debe dejar aproximadamente un 20% de altura libre entre la lámina de agua y el extremo interior de tubería para permitir la aireación de las aguas, como se aprecia en la figura superior. Este espacio libre facilita la evacuación del monóxido de carbono y del sulfuro de hidrógeno que se genera en el interior del tubo, gases letales para el ser humano y con un alto poder corrosivo.
En el caso de agua de lluvia, suelen diseñarse las conducciones a sección prácticamente llena pues no se presenta el problema de evacuación de gases nocivos.
La velocidad mínima del agua se aconseja para todos los casos que no baje de 0,60 m/s con lo que se evitan sedimentaciones o depósitos de las materias que lleve en suspensión el agua. Algunos autores fijan esta velocidad en 0,50 m/s.
El valor máximo de la velocidad del fluido viene determinado por la posible erosión o desgaste que pueda producirse en el interior de las paredes de los tubos.
En redes de aguas residuales la velocidad deberá ser inferior a 3,0 m/s en caudal punta. En redes de aguas de lluvia la velocidad máxima puede llegar hasta 5,0 m/s. No obstante estos datos deben consultarse con el fabricante de tuberías para contrastarlos con sus recomendaciones ya que, debido a los materiales empleados en la fabricación de los colectores, podrían variar.
El valor de las pendientes mínimas se asigna considerando el diámetro de los tubos. Así, para diámetro 200 mm se recomienda una pendiente mínima de 4 m/km y para un diámetro de tubo de 900 mm se recomienda una pendiente mínima de 0,50 m/km.
En colectores con diámetros medios, cuanto mayor sea la pendiente menor será el riesgo de formación de atascos ya que el aumento de la velocidad del fluido contribuye a un desalojo más eficaz de la materia en suspensión. Para diámetros grandes, el mayor volumen de agua evacuada debido a la mayor sección del tubo permite diseñar la red con menores pendientes.
En la tabla siguiente se expresan las pendientes mínimas recomendadas según el diámetro de los colectores.
El agua en este tipo de conducciones fluye debido a la diferencia de cota entre los diferentes tramos de tuberías de la red de saneamiento. No vamos a necesitar por tanto de una presión, ya que el objetivo es el traslado de las aguas, ya sean estas de origen residual o de lluvia, desde una cota más alta a otra situada más baja.
En el caso de las aguas residuales -aguas procedentes de los aseos y cocinas de uso doméstico así como del ámbito industrial, comercial y agrícola- no deben ocupar toda la sección de la tubería durante el transporte como se ha comentado.
El trazado de la red de saneamiento por gravedad se basa en los valores de pendiente asignados a la red de colectores. Para reducir las obras de excavación de tierras, siempre que sea posible, se situarán las conducciones paralelamente a la superficie de la calle, pero, si con esta pendiente natural resultan velocidades inferiores a las indicadas, se profundizará más la excavación con el objetivo de incrementar la pendiente. A mayor pendiente mayor capacidad de desagüe ya que aumenta la velocidad de circulación de las aguas, pero, por contra, aumenta el riesgo de erosionar más rápidamente la pared de los tubos. Cuando la pendiente de la calle resulte excesiva, se hace lo contrario, es decir, se divide en tramos de menor declive enlazándose estos tramos por pozos de registro. Los pozos en este caso tienen la función de limitar la energía cinética del agua.
En las imágenes siguientes, que no guardan proporcionalidad para resaltar el efecto que se desea mostrar, se aprecia lo comentado.
En la imagen superior izquierda vemos una calle con pendiente adecuada para la realización del saneamiento. En la imagen superior derecha la pendiente se consigue aumentando la profundidad de la excavación, pues la calle carece de aquélla. En la imagen inferior, la excesiva pendiente de la calle obliga a intercalar pozos de registro en la línea de colectores.
Para facilitar el acceso a las tuberías así como su limpieza cuando sea necesario, los pozos de registro de inspección y limpieza se deben instalar en los cambios de alineación o de pendiente de las tuberías, en las uniones de colectores y en los tramos rectos de colectores a distancia máxima de 50 metros. Esta distancia puede variar evidentemente según las normas de instalación de redes de saneamiento en cada zona.
Es aconsejable que revisen el post: Cálculo hidráulico de colectores de saneamiento. En la citada entrada se ofrece una tabla de cálculo para el dimensionado de los colectores y se explica con ejemplos cómo utilizarla. Comentar que en la tabla de cálculo podemos obtener la velocidad del fluido a sección parcial lo cual nos orientará hacia el diámetro adecuado del colector.
Los valores adoptados para el cálculo son los siguientes:
Viscosidad = 1,31 · 10-6 m2/s para aguas residuales
1,24 · 10-6 m2/s para aguas pluviales
Aceleración g = 9,81 m/s2
Rugosidad K = 0,10 mm para tramos de conducciones plásticas y agua pluvial.
K = 0,15 - 0,25 mm para conducciones plásticas en redes de saneamiento de aguas residuales. La rugosidad aumenta debido a la influencia de acometidas y de pozos. El valor inferior es especialmente aplicable a tuberías con tramos rectos y largos entre pozos de registro. El valor superior corresponde al caso contrario.
Se recomienda consultar los valores de rugosidad que indican los fabricantes de tubos ya que estos valores van a depender del material y calidad de los colectores así como del acabado de la cara interior de los tubos.
Para el correcto diseño y mantenimiento de la red de saneamiento se deben de consultar los Pliegos estatales y las Ordenanzas municipales en vigor sobre saneamiento de poblaciones en aquéllas localidades y municipios en los que vaya a tener lugar la obra.
2. Conducciones a sección llena
En este tipo de conducciones el fluido ocupa toda la sección interior del tubo y, en esta entrada, se hace referencia a las utilizadas en el trasiego de agua potable y de agua de riego.
Se pueden dar dos casos para aquéllas instalaciones que funcionen con una presión mínima de servicio: que se precise aportar presión a la instalación o que no sea necesario.
Cuando la diferencia de cota lo permita, será suficiente la altura para garantizar la presión necesaria de servicio en el punto más bajo de la conducción. En estos casos, para obtener la presión de servicio, hay que detraer a la presión estática las pérdidas producidas por el rozamiento del agua en el interior de tuberías durante su funcionamiento.
La figura anterior representa la clásica conducción por gravedad a sección llena. El estudio de estas instalaciones se explica en el post Conducciones por gravedad a sección llena. En esa entrada tienes un enlace para descargar una tabla de cálculo con ejemplos prácticos.
Si vamos al gráfico anterior se deduce que el consumo máximo aguas abajo de la válvula de corte no puede sobrepasar la máxima capacidad de transporte de la tubería. Asimismo, para este caudal máximo, debemos de considerar la velocidad de circulación del agua en el interior de la conducción con el fin de no superar el límite asignado, cuyo dato, como se ha comentado, es preferible obtenerlo del fabricante. Normalmente se establece una velocidad máxima de fluido de 3 m/s para este tipo de instalaciones.
La velocidad del agua es proporcional al consumo, ya que el fluido ocupa toda la sección interior del tubo. Esta velocidad se puede obtener aplicando la expresión:
Supongamos una conducción por gravedad a sección llena que suministra agua de riego a unos campos de cultivo. Durante la explotación de la red se tendrán que planificar los turnos de riego de las parcelas que componen los campos de cultivo de tal forma que no se sobrepasase el máximo valor de caudal circulante previsto en la red de suministro. Si el consumo es excesivo bajará la presión y la red dejará de ser operativa.
En cuanto a las redes hidráulicas a presión, es importante que durante la fase de diseño y posterior explotación la velocidad del agua sea como máximo de 2 m/s, velocidad que, en determinados casos, puede llegar a 2,5 m/s. En estas instalaciones las pérdidas de energía por rozamiento durante el transporte y distribución del agua llegan a ser importantes e inciden de manera significativa en los costes de energía empleada en el bombeo. Además, una velocidad demasiado alta causa desgastes en tuberías y accesorios y aumenta el riesgo de deterioro en los elementos de la instalación debido a los picos de presión generados durante las maniobras de apertura y cierre de válvulas así como de arranque y parada de bombas.
En el post Tabla para el cálculo de pérdidas de presión en tuberías puedes obtener fácilmente mediante el uso de una sencilla tabla de cálculo las pérdidas por rozamiento. Estos datos te ayudarán a dimensionar el tramo o ramal de tubo, tanto en conducciones para abastecimiento de agua como en instalaciones de regadío.
