Kitabı oku: «Replanteo de redes de distribución de agua y saneamiento. ENAT0108», sayfa 2

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5. Efecto de la pérdida de carga

Cuando un líquido circula a presión por una tubería, se constata que los niveles piezométricos entre dos secciones cualesquiera acusan un descenso en el sentido del escurrimiento, debido a las resistencias que el fluido real debe superar para mantenerse en movimiento permanente.

La pérdida de carga de un fluido es la transformación de parte de la energía hidrodinámica que lleva, en energía calorífica. Dicha transformación se da de forma irreversible.

Hidráulicamente, la energía hidrodinámica que se disipa en forma de calor se emplea en superar las resistencias que la conducción presenta a la circulación del fluido.

Por la forma de producirse y propagarse, las pérdidas de carga se clasifican en:

1 Pérdidas de carga lineales: se dan a lo largo de toda la tubería.
2 Pérdidas de carga puntuales: se producen en los equipos y accesorios de los que se compone la red de tuberías.

En resumen, se puede decir que las pérdidas de carga son las pérdidas de presión que sufren los fluidos en su circulación a través de las tuberías y conductos.

Importante

Estas pérdidas de presión se deben a los rozamientos de los fluidos con las paredes de las tuberías o conductos y a los rozamientos entre las distintas capas de fluido.

Los factores que influyen en las pérdidas de carga son los siguientes:

1 El fluido está caracterizado por:Densidad (ρ).Viscosidad (ν).
2 La tubería, por:Sección o diámetro interior (D).Rugosidad interior (K).
3 El derrame del fluido, a su vez, se caracteriza por:Velocidad (v).Numero de Reynolds (Re).

A continuación, se muestra un ejemplo de pérdida localizada, consistente en una tubería a la salida de un depósito (embocadura).

Aplicación práctica

Imagínese que ha de calcular las pérdidas de carga del siguiente circuito hidráulico. ¿Qué pérdidas de cargas debería tener presente? ¿Podría identificarlas en el esquema?

SOLUCIÓN

Las pérdidas de carga que se deben considerar son las pérdidas de carga lineales que se dan a lo largo de los tramos de tubería y las pérdidas singulares, que tienen lugar en equipos o accesorios. En este caso concreto, las pérdidas de carga se dan en:

1 Boquilla de entrada al depósito.
2 Codos de 90°.
3 Expansión y contracción debido al ensanchamiento de la tubería.
4 Válvula del extremo de la tubería.

6. Línea piezométrica

Los términos de la ecuación de Bernoulli tienen unidades de velocidad al cuadrado [m²/s²] si se divide cada uno de los términos por la constante gravitatoria (g):

Siendo:

1 V = velocidad del fluido en la sección considerada
2 g = aceleración gravitatoria
3 z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
4 P = presión a lo largo de la línea de corriente
5 p = densidad del fluido

Los términos tienen ahora unidades de longitud [m].

En la ecuación anterior, se obtiene lo siguiente:

1 Cota o altura piezométrica: se corresponde con las suma de los siguientes términos:
2 Altura total: se corresponde con la suma de los términos:

Expresando los términos en metros (m) se pueden representar los valores de la cota sobre los distintos puntos de un circuito y obtener así la línea piezométrica.

Tomando como referencia arbitraria de cota z = 0, la línea piezométrica se puede representar de la siguiente manera:

También se puede trabajar con la ecuación de Bernoulli en unidades de presión [Pa]:

En la ecuación anterior, se tiene:

1 Presión dinámica o cota de velocidad (p es la presión estática): se corresponde con:
2 Presión total o de estancamiento: se corresponde con la suma de los siguientes términos:

Por último también se puede trabajar con la ecuación de Bernoulli en unidades de presión [m.c.a.]:

Siendo:

Para terminar este apartado se presentan algunos conceptos clave para la perfecta comprensión de la noción de línea piezométrica:

1 Línea de cotas geométricas: se identifica con el eje longitudinal de la tubería. Las líneas de cota de una red de distribución se representan mediante su cota z referida al eje z = 0 (plano de referencia, plano horizontal).
2 Línea de cotas piezométricas: se corresponde con la suma de las cotas y las alturas de presión:
3 Línea de alturas totales: se corresponde con la suma de la cota piezométrica más el término cinético:Recuerde: En la mayoría de las ocasiones se desprecia sin cometer errores significativos.
4 Línea de presiones estáticas: se corresponde con la línea de cotas piezométricas cuando el caudal que circula por la tubería es cero.

Estos conceptos pueden apreciarse en el siguiente esquema.

7. Velocidades en la conducción y repercusiones

En este apartado se estudiarán las velocidades mínimas y máximas recomendables para la circulación de un flujo de agua en una conducción, ya que si estas velocidades superan los límites establecidos, podrían surgir problemas cuya reparación supondría un costo económico.

El efecto de los límites de velocidad tiene gran importancia en las redes de saneamiento, debido a las partículas sedimentables que llevan las corrientes de flujo.

Los factores que afectan a la elección de una velocidad de flujo satisfactoria en los sistemas de flujos son numerosos. Algunos de los más importantes son estos:

1 Tipo de fluido.
2 Longitud del sistema de flujo.
3 Tipo de conducto o de tubo.
4 Caída de presión que se debe tolerar.
5 Dispositivos (bombas, válvulas, etc.).
6 Temperatura.
7 Presión.
8 Ruido.

Existen dos velocidades de conducción que son las que repercuten en el movimiento del fluido y en las conducciones:

1 Velocidad mínima.
2 Velocidad máxima.

7.1. Velocidad mínima

La sedimentación en conducciones puede disminuir su capacidad a lo largo del tiempo. En algunos casos, la tubería puede llegar a quedar inutilizable hasta que la red sea limpiada. Esto implica:

1 Trabajos de alto costo.
2 Pérdida de tiempo.

Para reducir los problemas que puedan presentarse, el flujo debe mantenerse a una velocidad mínima o de autolimpieza.

Importante

La velocidad de autolimpieza que suele aceptarse para redes pluviales y sanitarias es de 0.9 m/s. Para cada diseño hay que realizar una comprobación con el fin de comparar la velocidad esperada con la velocidad de autolimpieza

La velocidad en tuberías con flujo a tubo lleno puede ser aproximada con:

El potencial de sedimentación se determina según:

1 Peso específico de las partículas.
2 Diámetro de las partículas.
3 Propiedades cohesivas de las partículas.
4 Rugosidad interior de la tubería.

7.2. Velocidad máxima

Los flujos a velocidades elevadas son causantes también de numerosos problemas que afectan a la conducción del fluido, por eso hay que considerarlas en los proyectos.

Nota

Se suele considerar alta velocidad a e 3,7 m/s aproximadamente, pero puede variar dependiendo de las características específicas del proyecto.

La solución al problema de las altas velocidades reside en minimizarla, para ello:

1 Se puede reducir la pendiente de la tubería.
2 Se debe ejercer un control exhaustivo sobre la velocidad.

Las altas velocidades provocan que la parte inferior de la tubería pueda desgastarse. Para evitar este desgastamiento se suelen usar termoplásticos, los cuales resisten mejor que muchos otros materiales de tuberías los efectos producidos por las altas velocidades.

Cuando la velocidad es alta, a veces es conveniente utilizar sistemas de anclaje. Los anclajes evitan que la tubería se deslice pendiente abajo mientras está siendo instalada y después, a causa de la energía del flujo.

8. El golpe de ariete

Se puede considerar el golpe de ariete un suceso que tiene lugar en tuberías forzadas, debido a la variación de caudal que en ella tiene lugar.

Los efectos del golpe de ariete consisten en un cambio de las presiones internas de la tubería, de esta forma la presión interna puede ser superior o inferior a la presión de trabajo en la conducción.

El golpe de ariete es un fenómeno transitorio, en el que la tubería ya no se considera rígida y el líquido pasa a ser compresible.

Este fenómeno se produce en los conductos al:

1 Cerrar o abrir una válvula.
2 Poner en marcha una máquina hidráulica.
3 Parar una máquina hidráulica.
4 Disminuir bruscamente el caudal.

Sabía que...

El golpe de ariete es frecuente en las centrales hidráulicas. En ellas, se ha de reducir bruscamente el caudal suministrado a las turbinas hidráulicas acopladas a los alternadores cuando se anula la carga de dicho alternador.

8.1. Consecuencias y dispositivos de control

El golpe de ariete el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

Para una mayor comprensión del efecto del golpe de ariete y del proceso que lo rige, a continuación, se estudiará mediante un ejemplo dicho fenómeno.

El esquema siguiente se compone de:

1 Tubería de longitud L, espesor O y diámetro interior D.
2 Depósito que suministra agua a la tubería.
3 Válvula en el extremo derecho de la tubería.

Si se actúa cerrando la válvula rápidamente, la energía cinética disminuye y se transforma en trabajo de compresión del fluido. El trabajo de compresión dilata la tubería. Esta situación recibe el nombre de golpe de ariete positivo.

Si se abre rápidamente una válvula se puede producir una disminución de la presión (depresión). Esta situación recibe el nombre de golpe de ariete negativo.

En el tramo recorrido por la onda ocurre que el flujo se para; el fluido sufre un proceso de compresión y la tubería aumenta su volumen, –proceso de expansión–.

Donde aún no ha llegado el flujo, las condiciones siguen siendo las iniciales.

Se tiene, pues, una onda elástica que recorre la tubería, va hacia el depósito, regresa a la válvula y vuelve otra vez al depósito. Este ciclo origina un aumento y disminución de la presión, que se refleja en la tubería con intermitentes contracciones y dilataciones.

Llamando L a la longitud de la tubería, la siguiente expresión muestra el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia entre la válvula y el depósito, es:

Tras un tiempo t,

el ciclo se vuelve a dar.

Al valor de a se le conoce por celeridad y es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua contenida en la tubería.

Existen dos sistemas para reducir los efectos que conlleva el golpe de ariete:

1 Se puede incidir sobre el foco que produce la perturbación. Aunque esta alternativa no se puede implementar siempre, es la más aconsejable.
2 Minimizar la fuente de perturbación una vez que esta se ha producido.

Las distintas herramientas para actuar sobre la fuente son:

1 Elevar los tiempos de apertura y cierre de las válvulas.
2 Aumentar la inercia de bombas y turbinas.
3 Evitar vibraciones fluidodinámicas y posibles resonancias.

Para actuar sobre la perturbación se utilizan:

1 Válvulas de descarga.
2 Chimeneas de equilibrio. Sabía que...: las chimeneas de equilibrio son también llamadas torres piezométricas. Son como depósitos verticales abiertos que se sitúan cerca del elemento que provoca el golpe de ariete. Se suelen utilizar en centrales hidráulicas.
3 Acumuladores o depósitos de aire.
4 Válvulas de admisión de aire.

Chimenea de equilibrio

El golpe de ariete produce los siguientes efectos adversos:

1 Daña el sistema de abastecimiento de fluido.
2 Puede reventar o ensanchar conducciones.
3 Arranca elementos singulares como los codos.

La figura representa un material destruido por golpe de ariete.

Material destruido por golpe de ariete

9. Aire en las conducciones y sistemas de evacuación-admisión

Cuando se dan altas presiones en las tuberías, el aire se disuelve y continúa en la tubería hasta que es expulsado. Esto no ocurre en los puntos elevados, en los que se tienen presiones relativas bajas, lo que genera que el aire no se disuelva y se creen bolsas que reducen el área útil de la tubería.

Cuando se acumula aire en los puntos elevados disminuye el área de flujo del agua, dando lugar a:

1 Un aumento de las pérdidas.
2 Una disminución del gasto.

Recuerde

A veces, la bolsa de aire es desplazada a lo largo de la tubería, pudiendo provocar situaciones parecidas a la que se dan en los golpes de ariete.

Para prevenir desplazamientos indeseados de la bolsa de aire se utilizan válvulas automáticas de expulsión o ventosas, que ubicadas en todos los puntos altos permitan la expulsión del aire acumulable y la circulación del gasto deseado.

La ventosa, en general, consta de un cuerpo vacío que contiene un flotador esférico. Su funcionamiento consiste en que este flotador asciende cuando existe presión de agua, el cual cierra automáticamente el orificio hacia el exterior.

En cambio, si en la tubería de presión hay aire, este no es capaz de levantar el flotador, pero permite el escape de aire, que es expulsado al exterior.

Imagen de ventosa

10. Principios constructivos de redes de distribución de agua y saneamiento

Tanto las redes de distribución como las de saneamiento están compuestas por canalizaciones o conducciones, formadas en su mayor parte por tuberías.

Una tubería es un conjunto de tubos y accesorios cuya misión es transportar agua u otro fluido, ya sea líquido o gaseoso.

Los accesorios principales de una tubería son:

1 Piezas especiales: unidades que posibilitan las uniones, los direccionamientos, cambios de sección, etc.
2 Dispositivos auxiliares: elementos que protegen y hacen que la red de distribución funcione mejor, ejemplos de estos dispositivos son válvulas y ventosas.

El objetivo de una red de distribución es hacer llegar el agua a cada punto de uso, los usos pueden ser muy variados:

1 Doméstico.
2 Industrial.
3 Riego de parques y jardines.
4 Limpieza viaria.
5 Incendios, etc.

La red de distribución está compuesta de:

1 Estaciones de bombeo.
2 Tuberías principales, secundarias y terciarias.
3 Válvulas que permitan operar la red y sectorizar el suministro en casos excepcionales.
4 Dispositivos para macro y micro medición (medidores de volumen).
5 Derivaciones domiciliares.

Las estaciones de bombeo sirven para aumentar el nivel energético de un fluido. Se usan en la mayoría de redes de abastecimiento de agua potable. Están formadas generalmente por:

1 Rejas.
2 Cámara de succión.
3 Las bombas.
4 Línea de impulsión.
5 Servicios auxiliares:Dispositivos de protección contra el golpe de ariete.Línea de alimentación de energía eléctrica.Sistema de monitoreo y telecomunicaciones.

Estación de bombeo

El objetivo de la red de saneamiento o alcantarillado es evacuar el agua de las ciudades, ya sea procedente de la lluvia o el agua residual generada por las actividades anteriores.

Las redes de saneamiento son conducciones hidráulicas, cuyo funcionamiento se basa en la ley de la gravedad a presión atmosférica. En algunos tramos de la red de saneamiento, y en pocas ocasiones, las tuberías trabajan a presión o en vacío.

La red de alcantarillado o saneamiento suele estar formada por canales cuya sección es circular, que en la mayoría de los casos van enterrados.

La red de saneamiento está compuesta por las siguientes partes:

1 Conexión domiciliaria.
2 Tanque interceptor.
3 Colectores.
4 Registros de limpieza e inspección y cajas de visita.

Nota

Las piezas especiales y los dispositivos auxiliares son los accesorios que hay que tener en cuenta para el cálculo de las pérdidas de cargas puntuales o singulares.

La conexión domiciliar se coloca al inicio del tanque interceptor, por dicha conexión pasan las aguas fecales. El diámetro de estos colectores es de 75-100 mm.

El tanque interceptor es un tanque séptico en el cual se depositan sólidos flotantes y sedimentables, que han de estar en movimiento. De él salen y entran tuberías. La tubería de salida se conecta al sistema mediante una T y un codo.

Los colectores están formados por tubos de PVC de pequeño diámetro. Por estos colectores el líquido pasa sin sólidos.

Los registros de limpieza e inspección y las cajas de visita permiten que los operarios puedan acceder a los colectores para realizar las labores de mantenimiento en caso de que sea necesario, así como las inspecciones visuales.

Los distintos tipos de redes pueden estar construidos con los materiales que se presentan a continuación.

10.1. Tuberías de policloruro de vinilo (PVC)

El PVC es un material termoplástico, en su proceso de fabricación se le añaden lubricantes, estabilizantes y colorantes para evitar su deterioro.

Las tuberías de PVC se emplean en muchas redes de distribución de agua, ya que presentan muy buenas características:

1 Bajo coste.
2 Alta resistencia.
3 Ligereza.
4 Facilidad de acoplamiento (simplifica el montaje).

La desventaja de las tuberías de PVC reside en que no deben instalarse a la intemperie, ya que la luz solar lo degrada. La protección de la tubería de la luz solar se puede lograr mediante pinturas que impidan el paso de la luz o simplemente enterrándolas.

Los tubos de PVC pueden ser de dos tipos:

1 Con extremo abocardado para unión por encolado.
2 Con extremo abocardado para unión con junta de anillo de caucho (unión por junta elástica).

Tubería de PVC

10.2. Tuberías de polietileno (PE)

El polietileno es un compuesto que proviene del etileno después de ser sometido a procesos de polimerización. Tras este proceso se añaden otros compuestos para aumentar su resistencia a la oxidación y a los rayos UVA.

El PE de las tuberías puede ser de tres tipos diferentes dependiendo de su densidad:

1 PE de baja densidad.
2 PE de media densidad.
3 PE de alta densidad.

Tubería de polietileno

10.3. Tuberías de fibrocemento

Las tuberías de fibrocemento están compuestas por amianto de cemento. Para conseguir este compuesto es necesario mezclar de forma homogénea agua, cemento y fibras de amianto.

Nota

A día de hoy se encuentran en desuso precisamente por llevar amianto en su composición.

Las ventajas de las tuberías de fibrocemento son: