Ventosas para Sistemas de Abastecimientos de Agua

VENTOSAS PARA SISTEMAS DE ABASTECIMIENTOS DE AGUA - BOLETIN TECNICO
©COMEVAL, S.L. www.comeval.es Depto. Técnico. Ref. BOL-TEC-VENTOSAS-ABASTECIMIENTO-AGUA-04/06
Queda reservado el derecho de modificación técnica de los datos y textos comprendidos en el presente documento.
Este Boletín Técnico analiza los problemas que el aire causa en toda instalación
de sistemas de abastecimientos de aguas y la forma de eliminar ó compensar los mismos.
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Causas que provocan la entrada de aire en los sistemas de agua:
El aire ingresa en los conductos de agua por aquellos puntos donde la presión interna es cercana a la presión atmosférica. Las
causas más frecuentes son, por ejemplo:
►Entrada de aire durante la fase de arranque de la bomba.
►Toma de aire cuando el nivel del líquido esta por debajo de la vía de entrada de la bomba.
►Toma de aire por efecto VORTEX creada por la bomba.
►Toma de aire de la balsa debido a la toma de aire de bomba por un incorrecto sellado de la misma.
►Emulsión de aire disuelto en balsas ó presas.
►Evacuación incompleta de aire en el proceso de llenado del conducto.
Efectos y problemática que el aire plantea en los sistemas de aguas:
El aire se disuelve en forma de emulsión ó burbujas y se acumula en los puntos altos de la red de abastecimientos donde el aire
liberado por el agua (causado por la pérdida de carga) se añade al aire que esta siendo transportado en las conducciones, de
modo que una gran masa de aire se crea dentro del sistema pudiendo comprometer la operación del mismo si no es controlada
y eliminada.
Los principales problemas que esta masa de aire dentro del sistema puede causar si no es adecuadamente eliminada son los
siguientes:
► Importante disminución de caudal e incluso la interrupción del mismo.
► Mal funcionamiento de la bomba
► Mal funcionamiento del sifón
► Aparición de golpes de ariete causados por bolsas de aire incontrolado ó repentina expansión de estas bolsas de aire.
► Incremento del nivel de pérdida de carga lo cual requiere mayor consumo de potencia en la bomba y por tanto pérdidas
económicas.
► Incremento de la corrosión de las paredes interiores de la tubería.
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Por lo anteriormente resumido, queda claro que el aire debe de ser eliminado de las conducciones de agua en grandes
cantidades, no obstante, es muy importante permitir la entrada de aire en el sistema para evitar problemas de depresión en los
siguientes casos:
- Una fuga de agua por rotura.
- Operaciones de descarga accidentales e incontroladas.
Como solucionar el problema causado por el aire en los sistemas de agua:
Una vez analizadas las causas y la problemática que el aire provoca en los sistemas de agua, se detalla como solucionar este
fenómeno de forma eficiente mediante la utilización de ventosas.
La utilización de ventosas en si mismo no es eficiente si no se cumplen correctamente otros factores por parte del instalador e
ingeniero de aplicación.
Podemos determinar el proceso integral de eliminación del aire en los sistemas de agua en tres pasos:
1.- Diseño del sistema de tuberías
2.- Selección de las ventosas
3.- Colocación y dimensionado de las ventosas.
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1.- Diseño del sistema de tuberías
Las líneas de tuberías deben de ser previstas para formar un esquema de instalación (layout) en forma de dientes de sierra
con pendientes variando de 2 a 3 por mil en las secciones aguas arriba y de 5 a 6 por mil para las secciones aguas abajo. Esta
disposición ayudará convenientemente a la acumulación del aire en las partes más altas y así proceder a descargar el aire a
través de las ventosas, impidiendo la formación de bolsas de aire en las partes más empinadas de las subidas. Se recomienda
no diseñar y colocar las tuberías de forma alineada ya que el aire no se concentraría en un punto y circularía sin control en
cantidades mayores. Como veremos más adelante, se debe de prestar atención particular a los cambios de pendiente, prever
puntos máximos de pendiente aguas abajo de compuertas parcialmente abiertas ó cambios de diámetro. También se debe de
prestar atención a la velocidad, diferentes estudios han demostrado una relación entre la pendiente y descenso en casos de
particular baja velocidad. El instalador ó diseñador de planta debe de realizar una disposición de planta ó layout que favorezca
la acumulación de aire en un punto para ser mejor eliminado con la utilización de válvulas automáticas de aire (Ventosas).
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2.- Selección de las ventosas
Es práctica habitual especificar una ventosas por su diámetro sin consideración de los factores que influencian la toma y
descarga de aire como:
- diseño y configuración interior de las ventosas,
- dimensión del orificio principal,
- presión diferencial a través del orificio principal.
Por tanto, el ingeniero de aplicación debe de tener en consideración algunos datos para la eficiente selección de ventosas como
los que se describen a continuación:
► Seleccionar una sección de orificio grande; debe de ser lo más amplia posible para garantizar una mayor toma de aire en
caso de ruptura del conducto.
► Entrada de aire; el caudal de entrada de aire debe de ser buscado en las curvas del fabricante a un Dp máximo de 0.30 bar
en el orificio principal dado que por encima de este límite no existe incremento en el caudal de aire (alcanzando velocidad sónica
a 0.5 bar) y normalmente, el sistema de tuberías, incluyendo juntas y válvulas, no es capaz de soportar mayores condiciones
de vacío.
► Salida de aire; debe de estar limitada a un Dp máximo de aproximadamente 0.05 bar en el orifico grande, correspondiendo
a una velocidad de llenado de aproximadamente 1 m/seg., ya que un mayor diámetro podría causar golpes de ariete durante la
fase de cierre con el consiguiente daño del sistema.
Se recomienda la utilización de válvulas automáticas para limitación de golpes de ariete en los sistemas, adicionalmente a las
ventosas para la evacuación de aire.
3.- Colocación y dimensionado de las ventosas.
Como ejemplo ilustrativo de este artículo hemos diseñado un layout típico donde se han colocado las ventosas necesarias así
como las válvulas anti golpe de ariete.
Las ventosas deben de colocarse para la realización de las siguientes funciones:
a).- Admitir grandes volúmenes de aire a través del orificio principal.
b).- Descargar grandes volúmenes de aire a través del orificio principal
c).- Liberar el aire bajo presión.
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Siendo estas las tres funciones a realizar por la ventosa de triple efecto.
a).- Admisión de Aire:
Las ventosas deben de estar dimensionadas para proteger la tubería del vacío que puede ser causado por la rotura de la tubería
ó por un paro de bomba repentino causado por separación de columnas.
La colocación de las ventosas en el sistema de tuberías deben de estar guiada por las siguientes recomendaciones:
- Puntos geométricos altos:
Para dimensionar una ventosa, el máximo caudal en el punto alto debe de estar determinado utilizando la siguiente fórmula, la
cual es válida en caso de estado absolutamente turbulento:
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Q = √i.D5/β
Q (expresado en m3/seg.)
, i = pendiente expresada en mm/m
D = Diámetro expresado en m.
β = Coeficiente de resistencia del tubo
Para la selección del DN de la ventosa sugerimos evaluar las curvas de caudal y elegir un diámetro que garantice una condición
de vacío por debajo de 0.30 bar dentro del conducto. Cuando se realice la elección, hay que considerar que la alta velocidad
del aire entrando en ventosas tradicionales de doble función causa una depresión debajo del orificio principal llamado “Efecto
Venturi” el cual atrae la bola hacia arriba causando una reducción de la sección de paso y, por tanto, una reducción del caudal
de toma de aire.
La tabla nos facilita la consulta ya que los caudales resultantes han sido trazados para cada DN con descarga libre y a unas
pendientes determinadas.
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- Cambios de pendiente negativos:
Se definen como el incremento del tramo de pendiente
descendiente ó la disminución del tramo de pendiente
ascendiente. En caso de paro de bomba ó rotura del
sistema de tubería se crea una cavidad gaseosa igual
a la diferencia de caudal entre ambas pendientes. Esta
cavidad gaseosa de caudal de aire Qc a evacuar se
determina por la ecuación Qc = Q2-Q1, donde Q2 indica
el caudal en el punto más elevado de la pendiente y Q1
indica el caudal en el punto más plano de la pendiente.
- Tramos de largo ascenso:
Si el segmento ascendiente es largo, una ventosa debe de
colocarse en lo alto de la sección y en cada 500 m. para
garantizar la salida y entrada de aire durante el llenado
de tubería y operaciones de vaciado. Los cálculos deben
siempre de estar basados en condiciones de rotura de
tubería ó paro de bomba.
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- Tramos de largo descenso:
Las consideraciones para la selección y la instalación son
idénticas a las de los segmentos de ascenso del punto
anterior.
- Tramos largos horizontales:
Los tramos horizontales de largo recorrido deben de ser
evitadas tanto como sea posible, si no es posible, se
sugiere colocar una ventosa cada 500 m y dimensionarla
de acuerdo al cálculo del llenado del conducto.
- Estación de Bombeo – Aguas debajo de la válvula
de retención:
El caudal de la ventosa debe de ser equivalente a
la capacidad de la bomba. Si la bomba parara de
repente causando separación de columna, las ventosas
convencionales en este punto no son capaces de
controlar la descarga de aire cuando los dos frentes
comienzan a unirse causando así el golpe de ariete. Las
válvulas anti golpe de ariete son utilizadas para prevenir
este fenómeno.
b).- Salida de aire:
Las reglas analizadas para la elección de la ventosa en el caso de toma de aire son también válidas para este caso. Hay que
considerar también que las válvulas convencionales de doble función se cierran prematuramente descargando aire a una presión
diferencial máxima a través del orificio principal mayor de 0.05 bar debido al fenómeno de “cierre dinámico”. Las ventosas de
triple efecto pueden, en cambio, descargar aire a alta velocidad.
c).- Descarga de aire:
La descarga de aire de cada ventosa depende de la existencia de una relación crítica entre el área de entrada y el volumen del
flotador. Bajo presión, el aire y el agua desarrollan dentro de las ventosas presiones opuestas y equivalentes que eliminan una a
la otra excepto aquella sección en contacto con el orificio de salida que esta sujeto a presión atmosférica y no puede compensar
el empuje vertical desde abajo del flotador. El flotador esta así expuesto a una fuerza F = AxP, donde A = área de entrada, P =
Presión de trabajo. Si la fuerza resultante excede el peso del flotador, se aplastaría contra la entrada no permitiendo la descarga
de aire. Por esta razón una misma ventosa diseñada a PN 10 puede tener una mayor orificio de entrada que otra a PN 25.
Es difícil determinar de antemano la cantidad de aire atrapado que puede ser liberado de un sistema y el dimensionado de la
ventosa es una decisión muchas veces basada en la experiencia. La entrada de la ventosa, en cualquier caso, debe de ser lo
más amplia posible para maximizar el intercambio de aire y agua en ella.
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