Errores, desatinos y lapsus de cálculo en riego por goteo [II]

Bien, continuamos del post anterior.

Lateral de riego

Se trata del tipo de tubería más complicada de dimensionar, por un lado debido a que tiene la menor sección de todos los tubos de la instalación y por otra parte porque en esta tubería se generan unas altas pérdidas de carga que causan una variabilidad de presiones a lo largo de su longitud. A lo anterior hay que añadir el efecto de la diferencia de cota en el terreno y su influencia en las presiones en el lateral. Además, dentro del capítulo económico de tuberías, supone el mayor coste de la instalación pues, con diferencia, esta partida es la que más longitud de tubo suma.

En un lateral de riego por goteo las pérdidas de carga se cuantifican como:

hl = J·CR·Lf

Donde hl son las pérdidas en metros producidas en el lateral de riego por goteo.

J son pérdidas de carga continuas en el lateral. Se calcularán según la fórmula de Blasius (J en mca por metro lineal de tubo):

(Recordamos que 10 mca, metros de columna de agua -unidad de presión-, equivalen a 1 kg/cm2)

El caudal Q se expresa en litros/hora y el diámetro interior del tubo D, en milímetros

CR es el coeficiente de Christiansen

Lf es la longitud ficticia del lateral en metros.

La longitud ficticia del lateral será la suma de la longitud real (L) más una longitud equivalente (Le) producida por la inserción o integración de los goteros. Los goteros originan importantes pérdidas de carga en el ramal y pueden cuantificarse como una longitud equivalente de tubería. Por tanto:

Lf = L + Le

Se puede obtener en diferentes fuentes la longitud equivalente debida a la inserción de los goteros en el lateral (en mi libro le dedico un apartado completo a estos cálculos).

[Error: tengan cuidado con las fuentes que se consulten para obtener estos datos. Puede haber una significativa diferencia según la fuente consultada y esto alteraría sustancialmente los resultados del dimensionado del lateral]

Veamos a continuación un ejemplo que aclarará lo explicado. Las fórmulas y la metodología de cálculo han sido ya expuestas en anteriores post que he escrito en este blog. En esos post se han contemplado varios escenarios relacionados con el efecto de las pendientes en las presiones del lateral. Conviene que los revisen.

Se desea regar una parcela sin pendiente con goteros no compensantes interlínea con espaciamiento de 1 metro entre goteros, caudal del gotero de 4 l/h, presión de funcionamiento de 10 mca y longitud de lateral de 114 metros. El exponente de descarga del gotero es de 0,564. Se debe obtener el diámetro del tubo y las pérdidas de carga.

Primero determinaremos el caudal de entrada:

Q = (114 m /1 gotero y metro) · 4 l/h = 456 l/h

Para una velocidad de circulación del agua de 1,5 m/s, el diámetro interior del tubo sería:

Si vamos al catálogo del fabricante elegiríamos el diámetro comercial de 16 mm (diámetro interior 14 mm) y tubo de PEBD-4 bar.

[Desatino: en laterales de goteo fijad siempre una velocidad máxima de 1,5 m/s. Velocidades superiores incrementan notablemente las pérdidas de presión]

La condición general de diseño del lateral debe de cumplir que:

Es decir, la máxima diferencia de presiones admitida en el lateral será de 1,8 mca.

Veamos ahora si el lateral seleccionado cumple con esta condición de diseño.

Para el diámetro interior elegido (14 mm), tenemos unas pérdidas continuas de:

El coeficiente de Christiansen es:

La longitud equivalente debida a la inserción de los goteros se obtiene como:

Le = 0,23 m/gotero·114 goteros = 26,2 m

[Lapsus: 0,23 es la pérdida asignada exclusivamente para este tipo de goteros. No la empleen para otros tipos ya que los resultados serían incorrectos]

La longitud ficticia finalmente resulta:

Lf = L + Le = 114 + 26,2 = 140,2 m

Las pérdidas totales en el ramal serían:

hl = J·CR·Lf = 0,076·0,368·140,2=3,9 mca > 1,8 mca

Vemos que excede a la condición de diseño, por lo que no es válida la solución obtenida. Deberemos buscar un diámetro mayor de lateral para reducir las pérdidas de presión y por lo tanto hacer que las diferencias de presión en el lateral sean menores. Probamos con el siguiente en la serie comercial del catálogo del fabricante: 20 mm (diámetro interior de 17,6 mm)

Volvemos a repetir los cálculos para este nuevo diámetro:

CR = 0,368 (No varía porque el número de goteros no cambia)

Lf = 140,2 m (No varía porque el número de goteros no cambia)

hl = J·CR·Lf = 0,026·0,368·140,2=1,3 mca < 1,8 mca

Este diámetro sí cumple con la condición de diseño y por tanto es válida esta solución.

Miscelánea

Dentro de la unidad de riego, la emisión de agua por los goteros debe de ser lo más uniforme posible con una variación máxima de caudal del 10%, por lo que la uniformidad constituye el punto de partida del diseño hidráulico de cualquier instalación de riego localizado. Esta uniformidad se conseguirá con una adecuada distribución de las presiones en la unidad, imprescindible en goteros no compensantes.

En goteros compensantes el caudal varía muy poco ante las variaciones de la presión, esta circunstancia absorbería variaciones de presión producidas en el lateral o debidas a la pendiente del terreno. Por tanto las tuberías laterales con goteros compensantes podrán alcanzar una mayor longitud, podrán ser de menor diámetro y tendrán un buen comportamiento en terrenos con pendiente.

En aquellos terrenos que presenten una pendiente elevada, se aconseja instalar las tuberías laterales siguiendo en lo posible las curvas de nivel y distribuir las tuberías terciarias siguiendo la pendiente, disponiendo de reguladores de presión en aquellos puntos donde se requiera.

En caso de que la pendiente sea muy acusada o irregular optaremos por el uso de goteros compensantes al objeto de mantener constante la presión de trabajo del emisor así como el caudal suministrado.

Siempre que sea posible, a la tubería terciaria debe suministrársele el agua en su punto más alto, de forma que las pérdidas de carga se vean compensadas por la pendiente.

Debido a las pérdidas de carga y a la pendiente del terreno, en cada una de las unidades (subunidades) de riego se pueden producir diferencias de presión entre los distintos emisores no compensantes de las tuberías laterales. Por lo tanto, la presión de entrada en la unidad de riego debe ser tal que el emisor que está sometido a menor presión reciba la suficiente para proporcionar el caudal adecuado. Para que la presión de entrada en cada unidad sea similar y no varíe durante el riego, es preciso instalar un regulador de presión al principio de cada tubería terciaria en los casos que se requiera, de esta forma se garantiza una correcta uniformidad en la distribución del caudal.

Si vuelven a observar el esquema anterior se desprende que las tuberías terciarias más cercanas al cabezal de riego así como las más cercanas a la tubería principal tendrán una mayor presión de entrada que las tuberías terciarias más alejadas de estos lugares. El regulador de presión se encargaría de compensar estas diferencias.

Debemos de tener cuenta que cuanto mayor sea el diámetro de las tuberías y menor su longitud, la diferencia de presión que exista entre los emisores más y menos favorables será menor (ya que hay menos pérdida de carga), y en consecuencia se podrá conseguir una mayor uniformidad. Esto conlleva un aumento del coste, por lo que habrá que encontrar un equilibrio entre el dimensionamiento de las conducciones y la uniformidad buscada.

Las tuberías terciarias se comportan como un lateral de riego (en vez de goteros tienen salidas hacia los laterales), por lo tanto su cálculo es similar.

El diseño del lateral de riego es la etapa más delicada de diseño hidráulico de una instalación de goteo, pues en definitiva la red de tuberías laterales es la que suministrará el agua y los nutrientes a las plantas y de su diseño y funcionamiento dependerá que las plantas reciban una cantidad homogénea de agua y de fertilizantes y no existan por consiguiente desequilibrios hídricos ni nutricionales.

Tuberías principales y secundarias

Las tuberías principales y las secundarias se dimensionan ambas de la misma manera. Son conductos cuya función es el transporte del agua de riego hacia las diferentes unidades de la parcela. No presentan por tanto la particularidad de los ramales y de las tuberías terciarias en las que existen descargas múltiples a lo largo de su longitud.

Para calcular su diámetro se deducirá el caudal que circulará por las tuberías, o por el tramo considerado, y se fijará la velocidad del agua según los criterios expuestos en el post anterior.

El caudal Q se expresa en m3/s, la velocidad del agua v en m/s y el diámetro interior del tubo D en metros.

Un último apunte importante para la unidad de riego

Durante la presentación de la herramienta ESHIR decía lo siguiente, que es importante que lo consideren:

Puedes también con ESHIR conocer la máxima longitud que podrá alcanzar un lateral. Este es un ejercicio interesante para comprobar cómo influyen estas variables en la longitud máxima que podría alcanzar un lateral de riego. Sin embargo este ejercicio no lo debemos de llevar a la práctica en el caso de diseñar unidades con goteros no compensantes porque la variación de presiones que se produciría dentro de la unidad de riego nos invalidaría el criterio de diseño ya que se excedería la máxima diferencia de caudal emitido entre el gotero de mayor y el de menor caudal en la unidad.

Precisamente para evitar los inconvenientes citados, la aplicación te permite elegir el porcentaje de pérdidas de presión que se asignan a los laterales de riego. Este asunto es muy interesante. La unidad de riego se compone del lateral y de la terciaria y, por lo tanto, tiene también dos componentes de pérdidas de presión que se suman para conocer la influencia que ambas ejercerán en la diferencia máxima de caudal recogido en la unidad cuando diseñamos con goteros no compensantes. Esta influencia aún es más acentuada cuando intervienen diferencias de cota.

Es decir, en el caso de diseñar con goteros no compensantes, debemos de repartir la máxima pérdida de carga que nos permita el diseño entre la tubería lateral y la tubería terciaria para lograr un riego homogéneo en la unidad.

Bien, estimados lectores, lectoras. Agradezco vuestro interés por los temas técnicos que escribo en este blog y por el seguimiento que hacéis de mis artículos.

Espero que el año 2022 os depare lo mejor en lo personal y en lo profesional, con conocimiento y salud.