UNIVERSIDAD DE OCCIDENTEBRANNDON JASON BARRIOS BARTOLON TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION IV DOCENTE: ING. JULIO OROZCO CARNET: UDEO2014SP0151 FACULTAD DE ARQUITECTURA UDEOSP la cual es parte fundamental para el buen funcionamiento y desempeño de conducción de agua potable. . sino también deben de ser diseñadas y puestas en puntos estratégicos donde el funcionamiento de cada elementos sea el adecuado. en sistema de bombeo debido a la succión. INTRODUCCIÓN El contenido principal de la investigación siguiente forma parte del aprendizaje sobre sistemas de agua potable y sus principales elementos o accesorios. que no solo deben de estar en un sistema de agua potable para su mejor funcionamiento. Función de la misma es el control de aire en conducciones que provocan burbujas que se provocan por cambios de temperatura. Los elementos presentados forman parte importante de cualquier sistema de agua potable por la función que desempeña cada parte. así como lo es una válvula de aire. . . a través de elementos importantes y fundamentales los cuales deben de ser ubicados en puntos estratégicos los cuales darán el funcionamiento adecuado y el mejor control de aire a través de las válvulas.Controlar el aire a través de todo el sistema de conducción.Evitar el colapso de la conducción. encargadas de eliminar el mismo para una mejor presión de agua y un mejor desempeño hasta llegar al tanque de almacenamiento. . OBJETIVOS ESPECÍFICOS . .Mejorar el funcionamiento de un sistema de agua potable ya sea por gravedad o por bombeo. OBJETIVO GENERALES Mejorar el funcionamiento del sistema de agua potable y el desarrollo del mismo.Mantener la presión del agua en la conducción. Todas las razones enunciadas anteriormente implican el control del aire en las conducciones con válvulas adecuadamente seleccionadas y correctamente ubicadas en puntos altos de las mismas. b) Pérdidas de carga de distinta magnitud que incluyen hasta la obturación total del escurrimiento. . y la onda negativa del “Golpe de Ariete” provocan depresión. El diseño eficiente implica pendientes ascendentes de 1 a 3 mm/m y descendente de 4 a 5 mm/m.LA PROBLEMÁTICA DEL AIRE EN LAS CONDUCCIONES A PRESIÓN 1-El vaciado de la conducción. c) “Golpes de ariete inducidos por escape de aire”. 2-Al resultar presiones negativas relativas. Además una válvula al menos cada kilómetro (si bien lo recomendado es colocar una cada 500 metros). 3-El aire presente en el agua por solubilidad (aproximadamente 30 l/m3) debido a la reducción de presión se desprende de la misma y el arrastre de burbujas posibilita la formación de “bolsas” en los puntos altos. 5-El ingreso de aire implica su posterior evacuación al igual que las maniobras de llenado de la conducción. ya sea accidental o no. en todos los casos se produce el ingreso de aire debido a diversos motivos. 4-Estas burbujas pueden originar (en orden decreciente de gravedad): a) El colapso de la conducción. d) Perturbación de mayor o menor gravedad del régimen de escurrimiento. Y también por la succión de barro y suciedad en las conexiones. el aire que contiene debe ser liberado al exterior. y succión de substancias químicas inyectadas al sistema.Impedancia del flujo en tuberías o reducción de la sección efectiva: tiene como consecuencia el incremento de las pérdidas de energía. También el suministro inadecuado de agua a las distintas áreas del sistema debido a la obstrucción del flujo y a la acumulación de pérdidas de carga localizadas.Suministro inadecuado de agua debido a lecturas incorrectas de medidores e hidrómetros. . como por ejemplo el colapso de tuberías por depresión o presiones negativas.ORIGEN DEL AIRE EN LAS TUBERIAS El agua siempre contiene aire disuelto. Descarga incompleta de aire durante el llenado: Cuando la tubería se llena de agua. este aire se va manifestar en forma de burbujas cuando se produce un aumento de temperatura y/o una disminución de la presión. empaques y otras piezas internas. succión de sellos.Lecturas inexactas en medidores e hidrómetros. Y por los sellados defectuosos en el cuerpo de la bomba y tubos de aspiración. . si las medidas tomadas para que esto ocurra son insuficientes. También el aire disuelto se desprende debido a la turbulencia en la bomba y la aspiración.Problemas de Corrosión y Cavitación. PROBLEMAS POR LA PRESENCIA DE AIRE EN LAS TUBERIAS El control de la presencia de aire dentro de la tubería puede causar severos problemas: . . PROBLEMAS POR LA AUSENCIA DE AIRE EN LAS TUBERIAS El problema del aire en las tuberías no solo se debe a su presencia sino que en algunos casos es por su ausencia. y el colapso por sobre presiones transitorias o golpe de ariete. . . También existe Ingreso de aire en los bombeos debido al vortex que se forma a la entrada de la succión.Serios daños a las piezas internas giratorias de medidores. parte del aire permanecerá atrapado dentro de la tubería. . de Doble Efecto o de Orificio Grande: Protege la instalación de los efectos nocivos de las depresiones durante el vaciado de la tubería. de Purga. permitiendo el ingreso de grandes cantidades de aire y evitando así roturas y el eventual colapso por aplastamiento. Válvula de Aire Combinada o de Triple Efecto: Combina la operación de los componentes cinéticos y automático. VALVULA DE AIRE . Válvula de Aire Automática. Permite el egreso de aire durante el llenado eliminando las bolsas de aire que perturban el flujo de agua. Purga de Aire durante la Operación del Sistema: permitir evacuar o purgar pequeños caudales de aire durante el funcionamiento en régimen de la conducción. Evitando: la reducción del caudal transportado y el aumento de las pérdidas de energía y el consiguiente incremento de los costos de operación. o de Pequeño Orificio: Permite evacuar o purgar pequeños caudales de aire durante el funcionamiento en régimen de la conducción.FINALIDAD DE LA VALVULA DE AIRE Vaciado de Tuberías: proteger la instalación de los efectos nocivos de las depresiones durante el vaciado de la tubería.TIPOLOGIAS Válvula de Aire Cinética. evitando roturas y el eventual colapso por aplastamiento. Llenado de Tuberías: permitir el egreso de aire durante el llenado eliminando así las bolsas de aire que perturban el flujo de agua y que a veces pueden llegar a la obstrucción total. H) ^0. . A (2.278 CHW .ANALISIS Y UBICACION DE VALVULAS DE AIRE El análisis de ubicación y selección de diámetro de válvulas de aire contempla los siguientes casos: -Llenado de la tubería: en este caso se dimensiona las ventosas o válvulas de aire para que el caudal de agua que ingresa al sistema sea igual al caudal de aire a evacuar por la ventosa. El cálculo se realiza mediante la fórmula: Q rotura = 0. el agua contiene aire disuelto que se manifiesta en forma de burbujas por cambios de presión o temperatura y se acumula en los puntos altos. contempla el gradiente hidráulico (m) -Purga de aire durante la operación del sistema: además del aire que ingresa al sistema en el bombeo.g. Preferentemente se deben utilizar válvulas tipo esclusa para no reducir el área de pasaje de aire. D^2. el cálculo se realiza mediante la fórmula: Q drenaje = Cd .54 Q rotura = caudal de rotura = caudal de ingreso de aire (en m3/seg) CHW = coeficiente de Hazen-Williams D = diámetro (m) H = diferencia de altura entre el punto de rotura y el punto cercano más alto (m) L = longitud del tramo.63 (H / L) ^0. -Rotura: se realiza este análisis para evaluar eventuales roturas de la cañería y calcular el ingreso de aire necesario para evitar el colapso del resto del sistema por depresión. para evitar el colapso por depresión se calcula el ingreso de aire de manera que el caudal de operación en régimen permanente sea igual al caudal de ingreso de aire. si no es retirado genera pérdidas de carga localizadas en el sistema.8 m/seg^2) A = área de la válvula de drenaje (m^2) H = diferencia de altura entre el punto de drenaje y el punto cercano más alto (m) En algunos casos se puede dimensionar de acuerdo al concepto de “vaciado virtual” colocando desagües virtuales en los puntos bajos de diámetro equivalente al 30% del diámetro de la cañería u otro porcentaje según criterio del ingeniero consultor. -Separación de la columna de agua: durante el vaciado. Estos posibles escenarios de rotura se plantean en términos de % de área expuesta por rotura respecto al diámetro de la cañería principal. -Instalación: las válvulas de aire deben instalarse sobre una válvula de seccionamiento para permitir el mantenimiento con el sistema en operación.5 Q drenaje = caudal de drenaje = caudal de ingreso de aire (en m3/seg) Cd = coeficiente de descarga (0.6) g = aceleración de la gravedad (9. -Vaciado de la tubería: en este caso se dimensiona para que el caudal de agua que egresa sea reemplazado por aire para evitar el colapso por depresión de la tubería. en los puntos altos se produce separación de la columna de agua. incluso llega a ser más eficiente instalar más purgadores de pequeño tamaño que menos de gran tamaño. sin embargo.0201). Para dimensionar estos dispositivos se deberá de tener en cuenta los cambios de presión y temperatura del agua en la conducción. Por ejemplo a 2 bar de presión y para 15ºC el CB sería de 0. Un aumento de la temperatura o una reducción de la presión dentro de la tubería producirían su paulatina liberación. la variación de presión sí es significativa. Los fabricantes informan de la capacidad de purga de purgadores de diferente tamaño mediante gráficas caudal-presión como la siguiente. Esto equivale a 40 litros de aire por metro cúbico de agua. 2 bar x 0. 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).a) Purgadores Los purgadores se utilizan para evacuar pequeñas cantidades de aire que transporta disuelto el agua. ya que son los que ocasionan la liberación del aire. formándose burbujas o bolsas de aire.0402 m3 de aire en m3 de agua (es decir. Generalmente en las conducciones no existen unos saltos de temperatura del agua que produzcan un aumento significativo de liberación del aire disuelto. A mayor presión más cantidad de aire disuelto en el agua. 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. 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. . 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. No es aconsejable instalar un solo purgador. y. 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. Supongamos una conducción por la que circulará un caudal máximo de 156 l/s a una presión de trabajo de 4 bar. . según vemos en el gráfico (raya verde) darían un caudal de expulsión unitario de 0. El caudal de agua es de QAGUA = 156 l/s = 9.5 bar.36 * (4-2. sino varios más pequeños. en la parte final. pero práctico. que. QAIRE = CB * QAGUA * Δp = 0. Vamos a determinar el tamaño del purgador o de los purgadores que se deberían de instalar considerando una temperatura media del agua de 10ºC.0224 * 9.5) = 0. la presión desciende a 2.36 m3/min Aplicamos directamente la fórmula vista más arriba. Por tanto la opción más acertada sería instalar tres purgadores de 2.31 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).25 mm.1 m3/min. La ecuación que determina el caudal del aire que circulará a través de un orificio es: . 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.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. vendrá determinado por la siguiente fórmula: . el caudal de llenado viene determinado por la presión máxima por golpe de ariete que pueda soportar la instalación.5 mca de presión diferencial de diseño.7x(2x3/1.Llenado de tuberías Para el dimensionado de las ventosas se utilizarán los diagramas suministrados por el fabricante. (*) 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.180 m3/h No obstante. el caudal de aire es: Qa = 2.1x10^-3x0. entrando con el caudal de aire (Qa) y la presión diferencial de diseño* (∆P). se opta por el caudal que impulsa la bomba. En tuberías por gravedad. En tuberías de impulsión..2)^0. suponiendo que el agua se detenga de forma repentina al final de la conducción –como ocurre en muchas instalaciones de riego-.75 de la presión nominal de la tubería o bien la presión nominal. El caudal de llenado. 1. dependiendo del fabricante. 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. Normalmente se toma como presión máxima un 0.5x36x10^4 = 1. Normalmente se toma una ∆P de 3-3.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 elige como luego veremos). 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-.5 mca para que se produzca el cierre de la válvula. Es un dato a suministrar por el fabricante. 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. la tubería se vacía por gravedad.81 m/s2) S es la sección de la tubería.. en m2 A es la celeridad de la onda.Donde.Vaciado de tuberías Para el dimensionado se utilizarán las curvas suministradas por el fabricante para la admisión de aire por la ventosa. se toma como caudal de llenado el caudal normal de funcionamiento para el tramo considerado. igual al caudal de la salida del aire (m3/s) ∆H es la máxima presión positiva permitida (mca). Cuando se abre la válvula de drenaje. El caudal máximo de drenaje por gravedad se puede calcular según la fórmula: . Q es el caudal de llenado de la conducción.81*0. que suele tomarse un 0.6 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 Si consideramos como máxima presión permitida un 75% de la PN.0267)/340 = 58 l/s. éste será el caudal de aire a considerar para el cálculo del tamaño de la ventosa. En cualquier caso.75*10=75 mca El caudal de llenado Q será igual a: Q = (75*9. En tuberías de distribución donde no existe un cierre repentino por válvula.75PN o PN g es la aceleración de la gravedad (9. Se tomará generalmente una presión de diseño de 3 o 3. 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 184.5 mca. 2. ∆H = 0. se dan unos valores medios del tamaño de la válvula de drenaje según el diámetro de la conducción.63 = 1.7%.54 x 422^2. En el gráfico siguiente vemos las curvas de expulsión de aire cuando se llena la conducción (o curvas de sobrepresión) y las de admisión de aire cuando se vacía la conducción (o curvas de depresión) para un tamaño de válvulas ventosas desde 1 a 4 pulgadas. . siendo Q el caudal máximo de drenaje. El caudal de drenaje para ese tramo sería: Q = 1.7/100)^0. de tal forma que cumpla con las indicaciones de la siguiente tabla.067 m3/h A efectos prácticos se puede seleccionar el tamaño de las válvulas de vaciado como una parte del caudal máximo de drenaje en relación con el diámetro de las tuberías de los tramos de la conducción a evacuar.2916 x 10^-5 x 150 x (0.Supongamos un tramo de una conducción de PVC de 422 mm de diámetro interior y pendiente del 0. Asimismo. Seleccionaremos una ventosa trifuncional para un tramo de una impulsión realizada en tubería de PVC de 582 mm de diámetro por la que circulará un caudal de agua de 32 m3/min. El fabricante no obstante. el fabricante advierte lo siguiente: En el vaciado de la conducción. puede suministrar bajo pedido ventosas que resistan sobrepresiones de hasta 9 mca (límite marcado por la línea roja punteada) c) Ventosas trifuncionales Como son una combinación de los dos tipos anteriores.5 mca para evitar el bloqueo del flotador de la válvula. En el gráfico inferior marcamos con una línea verde el caudal y elegimos la ventosa para una sobrepresión de llenado de 3. para el dimensionado de las ventosas trifuncionales se aplica todo lo explicado. . no se producirá la admisión de aire debido al bloqueo del flotador de la válvula (límite marcado por la línea roja punteada) En el llenado de la conducción. se recomienda realizar la operación con sobrepresiones no superiores a 3. La ventosa sería de 3 pulgadas.Gráfico de capacidad de admisión y evacuación de ventosas según sobrepresiones y depresiones (IRUA) Respecto al gráfico anterior.7 mca. con depresiones mayores de 4.5 mca máxima. 54 * 582^2.En el caso de vaciado del mismo tramo. Si la capacidad de admisión o descarga de aire no se puede alcanzar con una sola válvula ventosa. nos valdría una válvula de 1 1/2 pulgadas (ver línea verde en gráfica de depresión).63 = 2.286 m3/h = 38 m3/min. Como se trata de una ventosa trifuncional debemos seleccionar el mayor valor. Debajo de la ventosa vemos la válvula de compuerta para su aislamiento en caso de reparación y mantenimiento. por tanto instalaremos una válvula ventosa de 3 pulgadas. el cuerpo de la ventosa de efecto cinético. más pequeño.6 m3/min. Seleccionaremos una válvula de desagüe según la tabla q = Q/3 = 12. podrán instalarse varias válvulas en paralelo. calcularíamos primero el caudal de desagüe del tramo: Q = 1. Asimismo deben realizarse las labores de mantenimiento que indique el fabricante. Si vamos al gráfico de nuevo.2916*10^-5 *150*(0. iluminado por el sol. Este sería el caudal de admisión de aire para la selección del tamaño de la ventosa. No obstante se recomienda siempre consultar con la casa fabricante para tener la garantía suficiente de que se han elegido correctamente las válvulas. . Algunos fabricantes dan unas guías rápidas para la selección de válvulas ventosas de sus catálogos.6%. Ventosa trifuncional de dos cuerpos: a la izquierda. Instalación Para la correcta instalación de estas válvulas se recomienda la colocación de una válvula manual de bola o de compuerta antes de las válvulas ventosa para poder desmontarlas en caso de reparación o mantenimiento sin necesidad de detener el funcionamiento de la instalación.6/100)^0. Las ventosas deben situarse siempre en posición vertical y en la parte superior de la tubería. y si la pendiente fuese por ejemplo de un 0. el purgador y a la derecha. En esta imagen vemos en primer término un purgador para eliminar las burbujas de aire que puedan formarse antes de que lleguen a los tres hidrómetros. . La función principal de esta ventosa es permitir la entrada de aire en la conducción una vez ha finalizado el riego para evitar el efecto “succión” de los goteros y que penetre partículas que puedan ocasionar obstrucciones en los mismos.Ventosa de doble efecto en un punto elevado en una instalación de riego por goteo. . . CONCLUSIONES . . Las válvulas de aire forman parte importante en el desempeño de un sistema de agua potable por su función en todo el sistema. . Mantienen la presión del agua a lo largo de la conducción. El aire generado en la tubería puede ser negativo pero también puede ser positivo por ejemplo. que es el de controlar el aire en la tubería. Es importante el diseño y ubicación de las mismas por la función que desempeñan. Las válvulas de aire pueden evitar el colapso de la tubería así como también evitar o reducir el golpe de ariete. . el aire regula y evita la oxidación en la tubería. . El aire puede ser provocado por varios factores entre ellos las temperaturas y la succión en caso de ser por bombeo.