UNIDAD III INGENIERÍA AMBIENTAL: El aire en las tuberías

El aire en las tuberías

El aire llena totalmente los conductos cuando se ponen en servicio por vez primera o cuando han sido vaciados por cualquier causa. En estos casos la cantidad de aire que se debe de evacuar es muy grande y por tanto es una operación delicada sobre todo por la velocidad que puede alcanzar el agua durante la operación de llenado de la tubería.

Por otra parte, en el funcionamiento normal de una instalación, el aire puede introducirse en las conducciones con la puesta en marcha de la bomba y por el proceso de succión en los vórtices formados durante la aspiración.

Existe una fracción de aire (realmente es oxigeno ya que el nitrógeno es prácticamente insoluble) que viaja disuelto en el agua. El contenido de aire disuelto en el agua depende sobre todo de la presión y la temperatura. A mayor presión el contenido de aire disuelto en el agua es mayor. A mayor temperatura, el contenido de aire disuelto disminuye. En condiciones de alta temperatura y baja presión este oxígeno se libera en mayor proporción.

En los cambios de pendientes de las conducciones se producen alteraciones de la presión dentro de las mismas, lo que hace que pueda liberarse aire disuelto con la consiguiente formación de bolsas de aire. Esto es particularmente importante en impulsiones donde la presión va disminuyendo progresivamente a lo largo de la conducción.

Una vez que la instalación está en funcionamiento las bolsas de aire se desplazan por la tubería y se acumulan en las zonas más elevadas y a lo largo de accesorios y derivaciones.

Las bolsas de aire y el aire disuelto en el agua pueden ocasionar los siguientes problemas en las conducciones:

Roturas de las tuberías debido a sobrepresiones o incluso a depresiones.
Limitación parcial o total de la circulación del agua.
Pérdidas de la eficiencia del sistema y aumento de costes.
Cavitación en accesorios (válvulas, hidrantes y reguladores de presión)
Inexactitud en las mediciones de caudal y desgaste de partes móviles de contadores.

Las bolsas de aire reducen el caudal que circula por la tubería perdiendo eficiencia el sistema debido a las altas pérdidas de carga generadas. En algunas ocasiones incluso se puede detener la circulación del flujo por falta de presión (riegos por gravedad)

Durante el proceso de llenado de una tubería siempre se acumularán en los puntos altos bolsas de aire. Estas bolsas, debido a la presión del agua que va llenando la tubería, se desplazan en sentido contrario y a gran velocidad. El aire que queda atrapado en la parte alta, al perder esa velocidad, aumenta su volumen, provocando un estrangulamiento de la vena líquida que impide por completo, en algunos casos, la circulación del agua. Además la gran comprensibilidad del aire puede ocasionar daños importantes en la instalación si no se toman medidas para evacuarlo.

La manera de solucionar los inconvenientes del aire en las conducciones es utilizando unas válvulas de aire o ventosas.

1.- Tipos de ventosas

Las ventosas son dispositivos automáticos que permiten el paso del aire desde la tubería a la atmósfera o desde la atmósfera a la tubería, según que la presión en ésta sea superior o inferior a la presión atmosférica.

*Válvulas ventosas. El aire es expulsado a la atmósfera a través de las toberas o conductos superiores. Asimismo a través de estos mismos conductos puede penetrar el aire en el interior.*

Ventosas de pequeño orificio de salida

Se denominan también purgadores, ventosas de alta presión o de efecto automático.

Tienen un orificio de salida de aire de pequeño diámetro (no más de 25 mm) y su función es evacuar las pequeñas burbujas que se liberan durante el normal funcionamiento de la instalación, por tanto, evacuan pequeñas cantidades de aire.

Se componen de una boya o flotador que es empujado por el agua de la tubería que llega a la válvula. Durante la operación normal del sistema, pequeñas cantidades de aire van entrando y se van acumulando en la parte inferior de la válvula lo cual hace descender el flotador saliendo el aire al exterior. El peso del flotador es superior a la fuerza que produce la presión sobre el orificio de salida.

Los purgadores sólo permiten la salida del aire, no su admisión.

Funcionamiento de un purgador: cuando se acumula aire en el interior de la cámara de la válvula el flotador desciende y permite su salida al exterior. No permiten la entrada de aire en el interior de la conducción. (Del catálogo Bermad izquierda e Irua derecha)

Ventosas de gran orificio de expulsión y de admisión de aire

Se denominan también de efecto cinético o de baja presión. Están especialmente diseñadas para evitar un cierre anticipado, realizando por tanto una eficaz expulsión del aire. Si la ventosa no es cinética puede cerrarse anticipadamente y como consecuencia quedarían en el interior de la tubería bolsas de aire.

Las ventosas de efecto cinético tienen un orifico de grandes dimensiones, de 25 a 400 mm de diámetro, de manera que permite la salida de grandes cantidades de aire cuando la instalación se está llenando y, así mismo, la entrada de grandes cantidades de aire cuando la tubería se vacía ya sea voluntaria o accidentalmente como consecuencia de tareas de mantenimiento, reparación o roturas. Algunos modelos, como veremos más adelante, están además especialmente indicados para controlar los transitorios o golpes de presión tanto positivos como negativos que puedan producirse.

Funcionamiento de una ventosa de expulsión-admisión. Estas ventosas son utilizadas en las operaciones de llenado y vaciado de las conducciones. Mientras la instalación se encuentra bajo presión no funcionan. (Izquierda catálogo Bermad y derecha catálogo Irua)

Durante el funcionamiento normal de la instalación y estando ésta bajo presión y la válvula ventosa cerrada, pequeñas cantidades de aire que circulan por la tubería pueden entrar y quedar acumuladas en la válvula ventosa de efecto cinético. Estas acumulaciones de aire no serán evacuadas al exterior debido a que la presión del sistema mantendrá el flotador elevado, cerrando el orificio de salida de la válvula. Estas válvulas por tanto sólo funcionan cuando no existe presión hidráulica dentro de la tubería.

Ventosas trifuncionales

Llamadas también de doble propósito, de doble efecto o de doble orificio.

Son una combinación de las anteriores, de manera que combinan en un solo cuerpo o en dos, las funciones descritas para los tipos anteriores. Se denominan trifuncionales porque son capaces de realizar las tres funciones ya vistas, y que son:

Evacúan el aire de las tuberías en el momento del llenado.
Purgan pequeñas cantidades de aire cuando la red está bajo presión.
Permiten la entrada de aire en el momento del vaciado de la red.

*Ventosa trifuncional y esquema de cada una de las tres funciones (catálogo Irua)*

Ventosas anti-ariete

También llamadas anti-ariete de efecto dinámico, son válvulas de gran capacidad de aireación que, durante el llenado de la tubería o tras la fase de depresión de un transitorio, cuando regresa la onda de sobrepresión, permiten la salida de grandes masas de aire de la tubería y posteriormente la salida de agua, realizando a continuación un cierre gradual para aminorar los efectos de la presión. Como la válvula continúa descargando agua después de haber extraído todo el aire de la tubería, se evita el cambio de velocidad repentino y por tanto se atenúa el golpe de presión, no produciéndose un golpe de ariete inducido.

Estas ventosas tienen también una capacidad de admisión de aire mucho mayor que las ventosas convencionales utilizadas para el llenado y vaciado de tuberías.

*Ventosa anti-ariete de efecto dinámico. Cuando la tubería se encuentra vacía están cerradas actuando sólo en el caso de golpes de presión tanto positiva como negativa (catálogo Regaber)*

Para la simulación de los fenómenos transitorios en una conducción, sobre todo cuando presenta un trazado complicado con pendientes ascendentes y descendentes, se necesita de potentes herramientas informáticas que nos indiquen con eficacia la ubicación exacta y el tamaño de las válvulas ventosas que es necesario instalar. Algunos fabricantes y comercializadores de estos productos disponen de estas herramientas que garantizan la correcta selección y ubicación de estos dispositivos en la red para los supuestos de introducción de aire en la fase de presiones negativa y la de expulsión de aire en la fase de presiones positivas. Es importante comentar que las ventosas no ofrecen una protección integral ante el golpe de ariete en toda la conducción, necesitándose de la combinación con otros elementos de protección que actúen en la fase de sobrepresión, como las válvulas anticipadoras de onda o los calderines.

2.- Ubicación de las ventosas

En el cuadro siguiente se resumen los puntos singulares donde se deberían colocar ventosas (fuente: catálogo Bermad). A continuación se explica con detalle.

En los picos y cambios de pendiente respecto al gradiente hidráulico deben instalarse ventosas trifuncionales o purgadores. Se instalarán ventosas cinéticas en los tramos afectados por válvulas de drenaje para permitir la entrada de aire durante el vaciado de la conducción.

Se debe instalar una ventosa donde la tubería suba por encima del nivel del suelo, como en el caso de instalación de válvulas de control. Si la tubería aguas abajo de la válvula asciende, con un purgador será suficiente; en el caso de que descienda se necesitará una ventosa trifuncional para garantizar el correcto drenaje de la tubería.

Con el fin de evacuar el aire que entra en el sistema debido a las bombas, se debe instalar una ventosa de gran orificio a la salida de los grupos de bombeo y antes de la válvula de retención.

A fin de evitar la influencia negativa del aire sobre la exactitud de los elementos de medida y para evitar daños mecánicos, se recomienda instalar una ventosa trifuncional antes del contador.

Se deben instalar purgadores inmediatamente detrás de válvulas reductoras y estrechamientos en la tubería para evacuar el aire que se libera al bajar la presión.

En los sistemas de filtrado el aire se acumula en las partes altas de los colectores, para evacuarlos se necesita una ventosa trifuncional.

En grandes ramales de pendiente uniforme, ascendiendo, descendiendo o paralelo al gradiente hidráulico, se recomienda instalar ventosas trifuncionales cada 500 a 1000 metros. Si a ambos extremos de este tramo se han instalado purgadores, solo se requerirán ventosas de gran orificio dentro del mismo.

También se deben instalar ventosas en ciertos puntos singulares como sifones, aspiraciones de bombas de eje horizontal, ya mencionados, así como en aquellos puntos donde puede ser interesante aminorar los efectos de la cavitación.