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Efecto de aire en las redes

A la hora de diseñar una tubería de un sistema de distribución de agua por gravedad se parte del supuesto de que el flujo de agua llenará la tubería y el caudal estará controlado por la carga disponible, la longitud, el diámetro, el coeficiente de fricción de la tubería y las pérdidas de carga continuas y localizadas. Sin embargo, hay ocasiones en las que la tubería no se llena completamente de agua, como consecuencia de ello la relación entre la carga disponible y el caudal será muy diferente. Algunos ejemplos de ello son:

  • Cuando se abre paso al agua por primera vez en una instalación nueva con las tuberías vacías o parcialmente llenas.
  • Si hay cavitación (demasiada aspiración implicando vaporización del agua) en algún punto del circuito.
  • Si la tubería está alimentada por una fuente a través de una caja de acopio y su producción es menor que aquélla para la cual fue diseñado el sistema.

En estos casos resulta necesario eliminar el aire, pues su presencia hace aumentar la carga necesaria para lograr un caudal determinado y puede obstaculizar el paso del agua por la boca de salida de la tubería.

Las ventosas (válvulas de admisión y/o expulsión de aire) constituyen uno de los medios por los cuales se puede eliminar dicho aire en las conducciones, previniendo roturas de tuberías y permitiendo un buen funcionamiento de la red. Consisten en elementos hidromecánicos que conectados a la tubería en los puntos altos relativos de su trazado realizan de forma automática las siguientes funciones:

  • Expulsión del aire almacenado en la tubería durante el proceso de llenado (válvula de expulsión de aire).
  • Expulsión continua del aire procedente de la desgasificación del agua (purgado).
  • Entrada de aire en la conducción durante los procesos de vaciado (válvula de admisión de aire).

Las ventosas, al eliminar el aire de las tuberías, hacen que el fluido pase por toda su sección a una menor velocidad, reduciéndose consecuentemente los golpes de ariete en la red. Además, estos elementos hidromecánicos mejoran el abastecimiento de las zonas más desfavorecidas debido a una menor pérdida de carga.

El efecto de las ventosas, en el caso de impulsiones, es fundamental ya que permiten el ingreso de una gran masa de aire en la parada de bombas (si la onda del golpe de ariete es mayor que la presión estática), así como su eliminación de manera controlada, disminuyendo en gran medida el golpe de ariete.

Operacionalmente, la ventosa garantiza la manutención de las redes y su eficiencia, facilitando su llenado y vaciado, y reduciendo los efectos adversos de los transitorios como vibraciones o reducciones de capacidad de transporte.

Emplazamiento de ventosas

El emplazamiento de las ventosas es una parte importante previa a su dimensionamiento, pues de poco sirve utilizar ventosas de calidad si dicho emplazamiento no es el correcto.

Los criterios de colocación de las ventosas son los siguientes:

  • Puntos altos relativos de cada tramo de la conducción para expulsar aire mientras la instalación se está llenando y durante el funcionamiento normal de la instalación, así como para admitir aire durante el vaciado.
  • Reducción de pendientes descendentes (colocar una ventosa cada 600 metros como máximo en tramos largos descendentes).
  • Aumento de pendientes ascendentes (colocar una ventosa cada 400-800 metros como máximos en tramos largos ascendentes).
  • En tramos con pendiente continua colocar las ventosas cada 500 metros.
  • En el punto más elevado de un sifón para la expulsión de aire, aunque debe ir equipada con un dispositivo de comprobación de vacío que impida la admisión de aire en la tubería.
  • En la descarga de una bomba, para la admisión y expulsión de aire en la tubería de impulsión.

Junto a las válvulas principales de la instalación para facilitar el vaciado de la tubería.

Diámetros de las ventosas en función del tamaño de las tuberías

Las ventosas se clasifican en monofuncionales y/o trifuncionales según su función.

Ventosas monofuncionales: funcionan únicamente cuando la tubería está en presión, eliminando las burbujas de aire que puedan existir en la red gracias a que tienen un pequeño orificio que es tapado por un flotador. Al acumularse aire, el peso del flotador se iguala a la presión generada por el pequeño orificio (1 a 5 mm) y cae dejando escapar aire. Por este motivo, las ventosas monofuncionales con conexión brida mayores a DN50 mm nunca son necesarias.

Las ventosas  monofuncionales son muy importantes para evitar la acumulación de aire, y consecuentemente, la pérdida de carga por disminución del diámetro útil de la válvula. También lo son porque evitan que haya bolsas de aire que se muevan y generen roturas debido al movimiento de las mismas frente a un aumento de caudal o presión.

Ventosas trifuncionales: además de tener la funcionalidad de las ventosas monofuncionales, dejan entrar y salir aire en grandes cantidades cuando la tubería se está vaciando o llenando respectivamente.

Este tipo de ventosa es importante para evitar que la tubería entre en vacío y colapse. También lo es porque disminuye los golpes de ariete producidos por paradas de bombas y  porque facilita las operaciones de llenado y vaciado de la tubería.

El diseño de funcionamiento incorpora una ventosa monofuncional, además de un flotador que obstruye una sección que va de acuerdo al diámetro de la ventosa.

Colocación de las ventosas monofuncionales y trifuncionales

  • Ventosas monofuncionales:
  1. En cada punto alto geométrico para purgar correctamente la conducción y reducir la pérdida de carga.
  2. Regularmente a lo largo de la conducción, cada 500 m como mínimo, para evitar los golpes de ariete consecuencia de los desplazamientos incontrolables de bolsas de aire a presión.
  3. En cada cambio brusco de la pendiente descendiente para evitar el fenómeno de punto alto hidráulico. Debido al cambio de pendiente se producen presiones mayores que actúan como puntos altos geométricos que pueden inmovilizar una bolsa de aire.
  • Ventosas trifuncionales:
  1. En cada punto alto principal para permitir un llenado rápido de las conducciones.
  2. Regularmente a lo largo de la conducción, como mínimo cada 1 kilómetro, para evitar el aprisionamiento de bolsas de aire en el proceso de llenado.
  3. Antes o después de cada aparato de regulación siguiendo la pendiente del terreno para evitar que la canalización entre en depresión después del cierre o apertura del equipo.
  4. Después de un sistema de bombeo, cuando el valor del golpe de ariete sobrepase la presión estática a la salida de la bomba, para evitar que se propague la depresión causada por la parada de la bomba y disminuir el consiguiente golpe de ariete.

Efecto de aire en las redes

Dimensionamiento de las ventosas

El dimensionamiento de las ventosas debe realizarse siguiendo las recomendaciones aplicadas en los programas de cálculo y diseño de las empresas especializadas, incluyendo un protocolo de mantenimiento en explotación, y de acuerdo al caudal y la depresión que esté dispuesto a someter la tubería.

Los líquidos son incompresibles, por lo que el volumen de aire a evacuar es igual al volumen desplazado por el agua. Por tanto, el caudal de aire es igual al caudal que pasa por la tubería.

El dimensionamiento puede hacerse, por tanto, en base a una rotura total de la tubería, la velocidad de vaciado o utilizando simplemente las recomendaciones del fabricante en cuanto a diámetro de la tubería versus diámetro de la ventosa.