Los ventiladores de aire, las válvulas de alivio de vacío y las válvulas de alivio de presión son necesarias para liberar aire potencialmente dañino al llenar, operar o drenar tuberías presurizadas. Este uso reduce el efecto de los picos de presión y protege las tuberías de reventar o colapsar. En este artículo de Seditesa explicaremos los cálculos necesarios para determinar el número y tamaño de válvulas que se requieren para tuberías presurizadas.
Recuerda que, generalmente, es mejor agregar una válvula adicional que terminar con una tubería que tenga una ventilación inadecuada. Si se requiere más de una válvula, la tubería de subida puede dimensionarse para múltiples válvulas.
El aire en las tuberías
Las tuberías que transportan agua deben ventilarse para evitar que el aire quede atrapado en la línea. El aire entra en la entrada, ya sea a través del flujo de canal abierto o de burbujas de aire atrapadas en el agua. Se utilizan válvulas automáticas para permitir que el aire se ventile dentro o fuera y para reducir el estrés en las tuberías.
El agua no es muy compresible, ya que la densidad del agua varía solo ligeramente a medida que aumenta la presión. Sin embargo, el aire es diferente. El aire se comprimirá bajo presión y actúa como un resorte cuando se comprime. Esa acción de compresión/expansión similar a un resorte puede ser bastante dañina para las tuberías. Por lo tanto, es muy importante sacarlo y mantenerlo fuera de una tubería.
Ubicaciones de los aparatos para eliminar aire en las tuberías
Los ventiladores de aire y/o las válvulas de alivio de vacío se instalan en estos puntos críticos:
- La entrada a la tubería
- Puntos altos en la tubería
- El final de la tubería
- Cada cierto número de metros si no se dan ninguno de los casos anteriores
Ventiladores de aire
Los ventiladores de aire están posicionados para permitir que el aire escape de la tubería mientras se llena y mientras está en funcionamiento. Estos son los tres tipos diferentes de ventiladores de aire:
- Abierto: una T ventilada en la línea que solo se usa en la entrada de líneas de gravedad.
- Tipo flotador: una bola está posicionada en la válvula y se apoya en una rejilla para permitir que el aire escape. A medida que el agua llena la línea, la bola flota hacia arriba para sellar y cerrar la válvula. Esto solo funciona durante el proceso de llenado, porque una vez que la bola cierra la válvula, no escapará más aire ni agua.
- Actuación continua: tiene una bola flotante, similar al tipo flotador mencionado anteriormente, pero también hay una ventilación secundaria en la válvula que permite que pequeñas cantidades de aire continúen escapando después de que la línea esté a presión y el flotador haya sido empujado hacia arriba y haya cerrado la válvula.
Diferentes procedimientos requieren diferentes ventiladores. La selección adecuada de ventiladores de aire está asociada con varios procedimientos operativos en la tubería. Cuando la tubería comienza a llenarse, la tubería vacía está llena de aire que debe ser reemplazado por agua. El agua llena primero los puntos bajos y el aire se fuerza hacia los puntos altos de la tubería. Dado que el aire atrapado está desplazando el agua, eso aumenta la velocidad del agua bajo el aire atrapado en la tubería. Esa mayor velocidad del agua puede resultar en más pérdida por fricción y también en un mayor potencial de picos de agua dañinos en la tubería.
Sin una ventilación adecuada, el aire permanecerá atrapado y puede ocurrir la acción de compresión-expansión similar a un resorte, lo cual puede ser dañino para las tuberías. Por lo tanto, es importante tener el tipo correcto de ventiladores, el tamaño adecuado de ventiladores y la mejor ubicación para los ventiladores, dependiendo de la operación.
La ubicación de los ventiladores de aire permite que el aire fluya hacia fuera o hacia dentro de la tubería durante las diferentes etapas de operación en una línea presurizada. Hay tres procedimientos operativos básicos: llenar la tubería, operar la línea y drenar la línea.
Llenado de la tubería
Durante el llenado, la tubería está llena de aire y el agua está ocupando su lugar. Las siguientes ubicaciones describen dónde se necesitarán ventiladores de aire para expulsar el aire de la línea mientras se llena con agua.
- El ventilador de entrada permite que el aire fluya dentro y fuera mientras la tubería se llena. Eso evita que se acumule presión antes de que la tubería esté llena de agua.
- Los ventiladores de puntos altos liberan el aire atrapado en las tuberías.
- Los ventiladores espaciados (cada 1,320 pies o 400 metros) eliminan el aire a lo largo de la línea.
- Ventiladores en cualquier punto donde la pendiente aumente en un 10% o más. Esa cantidad de pendiente dejará un espacio vacío en la tubería y se necesitan ventiladores de aire para permitir que el aire entre en ese espacio vacío o la tubería podría colapsar.
Operación de la tubería bajo presión
Con una ventilación adecuada durante el llenado, el aire atrapado debería haber escapado a medida que la tubería se llenaba con agua. Sin embargo, el aire aún puede entrar en la tubería en la entrada, en la bomba o en cualquier fuga. Ese aire puede ser absorbido por el agua y causar daños antes de llegar a un ventilador. Para prevenir tales problemas, se colocan ventiladores de aire de actuación continua a lo largo de la línea.
Drenaje de la tubería
Al drenar la tubería, se debe permitir que el aire entre en la línea en los puntos altos y en las entradas para evitar daños y colapsos por vacío. El dispositivo utilizado para lograr esto es una válvula de alivio de vacío. (Ver Figura 2)
Válvula de alivio de vacío
Siempre que se drena una tubería, ya sea intencionalmente o por accidente, podría ocurrir un vacío si el agua sale del sistema más rápido de lo que el aire entra en el sistema. Si ocurre un vacío completo (14.7 psi), la tubería podría colapsar. La presión de vacío requerida para colapsar una tubería varía según el material de la tubería, el grosor de la pared y el tiempo que la succión esté en el material. Por razones de seguridad, el vacío máximo permitido en las tuberías es de 5 psi, ya que las tuberías pueden colapsar a presiones mucho más bajas que la presión de vacío completa (14.7 psi).
Generalmente, el alivio de vacío se proporciona mediante la combinación de válvulas de ventilación de aire y válvulas de alivio de vacío en los sistemas de riego. Las válvulas de alivio de vacío pueden usarse como un elemento independiente o en combinación con la válvula de liberación de aire. Por lo general, es más fácil usar una válvula combinada de alivio de aire y vacío. Estas válvulas deben ubicarse en todos los puntos altos a lo largo de la línea.
La válvula de alivio de presión está diseñada para liberar agua cuando la presión supera el nivel preestablecido de la válvula. Generalmente, es más económico usar una tubería de menor presión y instalar una válvula de alivio de presión que usar una tubería de mayor presión sin la válvula de alivio.
Los picos de presión ocurren como resultado de cambios en la velocidad en la tubería. Esto puede ser causado por la apertura o cierre de una válvula, el apagado de la bomba, o cualquier cambio en el flujo de la línea. La presión de sobrepresión se suma a la presión de operación, creando una presión total potencialmente muy alta.
La ubicación de la válvula de alivio de presión generalmente está en el punto de mayor presión de sobrepresión en la línea. La presión más alta en la línea depende de la pendiente y la pérdida por fricción en la línea. Durante la operación, el punto de menor elevación en la línea puede, o no, ser la presión más alta.
El tamaño mínimo de la válvula de alivio de presión es de 3/4″ por pulgada de tamaño de tubería y está configurada para abrirse a no más de 5 psi por encima de la presión nominal de la tubería. Por ejemplo, una tubería de 8″ necesita una válvula de alivio de presión de 2″. Los fabricantes proporcionan gráficos de rendimiento para cada válvula con tasas de flujo.
Criterios de diseño
Válvulas de ventilación de aire
- Los tamaños de las válvulas de ventilación de aire se determinan por la velocidad del agua llenando la tubería. El tamaño de la apertura de la válvula de ventilación generalmente se estima en el 25% del tamaño de la tubería. Por ejemplo, una tubería de 12″ requeriría una válvula de ventilación de 3″. Las válvulas vienen en varios tamaños, incluyendo 1/4″, 2″, 3″ y 4″ de diámetro, dependiendo del fabricante. Generalmente, la válvula de 2″ es el tamaño más comúnmente utilizado para los diseños de NRCS, por lo tanto, una válvula de 2″ sería adecuada para una tubería de 8″. La hoja de cálculo de ventilación de aire calcula el tamaño necesario de la válvula de ventilación basada en la tasa de llenado en una tubería usando la ecuación del orificio.
Válvulas de alivio de vacío
- Las válvulas de alivio de vacío se dimensionan en la misma proporción que las válvulas de ventilación de aire, con la apertura de ventilación al 25% del diámetro de la tubería. Esto es adecuado para permitir que el aire vuelva a entrar en la línea. Esto se puede lograr usando una o más válvulas. Para calcular la presión de pandeo de una tubería que puede soportar un vacío, se puede usar la siguiente ecuación:
Fórmula de presión crítica de pandeo no restringida
- (P) = Presión crítica de pandeo no restringida, psi
- (E) = Módulo elástico a la temperatura de servicio esperada
- (μ) = Relación de Poisson
- (DR) = Relación de Dimensión
- (N) = Factor de seguridad, normalmente 2.0
Ejemplo de presión crítica de pandeo no restringida
- Determinar la presión de pandeo a corto plazo para una tubería HDPE con un DR de 17. Usando la ecuación anterior, el módulo elástico (E) a corto plazo para HDPE es de 110,000 psi. Asumiendo una deflexión del 5% (ovalidad), la presión de pandeo sería:
Puc = 14.7 psi–este es el vacío máximo permitido.
En este caso, la tubería puede manejar un vacío total (14.7 psi). Esta no es una buena condición para mantener con cualquier material durante un período prolongado, ya que una tubería colapsada sigue siendo una posibilidad.
Ejemplo de alivio de vacío
A medida que la tubería se drena, la línea se llena de aire desde una abertura, como una válvula de alivio de vacío. La velocidad a la que la válvula deja entrar aire determina la cantidad de vacío que se desarrolla en la línea. Si la válvula está ausente o es demasiado pequeña, se desarrollará un vacío. Si hay puntos adecuados para que el aire entre en la línea, la presión dentro de la línea estará más cerca de la misma presión que fuera de la línea, lo que evita que se forme un vacío. Dado que el agua es más de 50 veces más densa que el aire, el agua fluye más lentamente que el aire. Para determinar el tamaño de ventilación necesario, la guía general es limitar la presión de vacío a 5 psi. La hoja de cálculo de ventilación de aire adjunta tiene la siguiente ecuación para calcular el tamaño de la válvula de alivio de vacío necesaria mientras se mantiene la presión de vacío a un cierto nivel.
La siguiente fórmula de orificio se utiliza para calcular el tamaño de apertura necesario para la ventilación:
Fórmula del Tamaño del Orificio de Ventilación, pies cuadrados
Válvula de alivio de presión
Un cambio en la velocidad del flujo causará un aumento de presión en la línea. Esta presión de aumento se suma a la presión de operación para determinar la presión total en la tubería. Si la presión total es mayor que la presión nominal de la tubería, se necesita una válvula de alivio de presión. Para determinar la presión de aumento, se deben realizar algunos cálculos.
Primero, determine la velocidad de la onda de choque en la tubería utilizando la fórmula de la velocidad de la onda de choque. Una vez que se haya determinado la velocidad de la onda de choque, se puede calcular la presión de aumento utilizando la siguiente ecuación.
Fórmula de la Velocidad de la Onda de Choque, ft/seg
Dónde:
- (a) = Velocidad de la onda de presión, ft/seg
- (Kl) = Módulo de compresibilidad del líquido, lb/in² (agua – 300,000 psi)
- (E) = Módulo de elasticidad del material de la tubería, lb/in²
- (Di) = Diámetro interno de la tubería, in
- (t) = Espesor de la pared de la tubería, in
Fórmula de la Presión de Aumento, psi
Dónde:
- (P_{surge}) = Aumento de presión, psi
- (a) = Velocidad de la onda de presión, ft/seg
- (\Delta V) = Cambio en la velocidad, ft/seg
- (g) = Aceleración debida a la gravedad, 32.2 ft/seg²
Usando las ecuaciones anteriores, se puede determinar la presión de aumento. Suma esto a la presión de operación para obtener la presión total. Si esta es mayor que la presión nominal de la tubería, según lo indicado por el fabricante, se requiere una válvula de alivio de presión. Si la presión total es menor que la presión nominal de la tubería, no se requiere una válvula de alivio de presión, pero es altamente recomendable.
Ejemplo:
- Un sistema de riego por pivote está instalado en un campo de cultivo con una pendiente desde la bomba, que es el punto más alto de la línea, hasta la plataforma del pivote (en el centro del campo).
- La tubería hacia el pivote tendrá una tasa de flujo máxima de diseño de 610 gpm.
- La tubería tiene 1000 pies de largo y 8” de diámetro, tubería de PVC de 80 psi.
- Presión de operación de la bomba de suministro de agua de 55 psi.
- Elevación del suelo en la bomba 100 pies; la elevación del suelo es de 90 pies en el punto de pivote.
- Hay una válvula de compuerta tanto en la bomba como en el pivote.
¿Qué ventilaciones y protecciones necesita esta tubería? Se instalan ventilaciones de aire y/o válvulas de alivio de vacío en estos puntos críticos:
- La entrada a la tubería
- Puntos altos en la tubería
- Espaciado de ¼ de milla
- El final de la tubería
Usando la hoja de cálculo de Air-Vent con los datos anteriores ingresados, los resultados serían los siguientes: Comenzando en la bomba, la tubería es de 8″, por lo que el 25% del diámetro de la tubería sería de 2″, por lo tanto, instale una válvula de alivio de vacío de aire de acción continua de 2″ en el punto más alto en el área de la planta de bombeo. A continuación, la válvula de compuerta en la bomba sería el comienzo de la tubería, y se requiere un ventilador de aire de 2″ allí, justo aguas abajo de la válvula de compuerta. Desde la tubería hasta el pivote, ya que es menos de 1/4 de milla, el siguiente lugar donde se necesita un ventilador de aire es al final de la línea, justo aguas arriba de la válvula de compuerta del pivote.
Coloque un ventilador de aire de 2″ justo aguas arriba de la válvula de compuerta del pivote para dejar salir el aire mientras se llena. Si no se instaló una válvula de compuerta en el punto de pivote, los aspersores en el pivote podrían ser el ventilador. Cualquier punto alto a lo largo de la línea necesitaría tener una válvula de alivio de vacío de aire de acción continua para dejar salir el aire durante el llenado y dejar entrar el aire durante el drenaje. Nuevamente, dado que la línea tiene un diámetro de 8″, todas estas válvulas tienen un diámetro de 2″.
Los cálculos de presión de sobrepresión de Air-Vent resultan en un potencial de presión total de 96 psi. Esto es más alto que la clasificación de presión de la tubería (80 psi), por lo tanto, se necesita una válvula de sobrepresión y debe configurarse a un máximo de 85 psi (presión de la tubería de 80 psi + 5 psi). Dado que no hay una válvula de alivio de presión de 2″ que cumpla con las especificaciones de NRCS, elija una de 3″ de diámetro. Se selecciona la válvula Waterman AA-96 de 3″. El gráfico para esta válvula se muestra en la Figura 4. Dado que no hay una línea de 85 psi mostrada para esta válvula en la Figura 4, una opción es interpolar entre las curvas de presión mostradas en los gráficos y estimar la presión frente al flujo para la válvula. Una mejor opción sería bajar la configuración de presión que abre la válvula de sobrepresión.
La tubería está operando a 55 psi y si la válvula de sobrepresión se abre a 75 psi, la tubería estaría protegida incluso de una sobrepresión. Para determinar si la válvula de alivio de presión liberará el flujo completo de la tubería a menos del 150% de la clasificación de presión de la tubería, dibuje una línea vertical desde la tasa de flujo hasta interceptar la línea de presión de apertura correcta en la Figura 4. Luego, muévase hacia la izquierda horizontalmente hasta el eje de presión y lea la presión más alta. Estas se muestran como líneas rojas en la Figura 4. Normalmente, la presión máxima a través de la válvula está en el flujo máximo. Con este ejemplo, el pico de la válvula de sobrepresión es justo después de abrirse, y la presión más alta sería de 92 psi. Esta válvula liberará (610 gpm) con un aumento de presión de 17 psi (75 a 92 psi). Esto es menos del 150% de la presión permitida de la tubería de 120 psi (80 psi x 1.5). También liberaría todo el flujo de diseño de agua de la tubería.
La ubicación de la válvula de alivio de presión generalmente está en el punto más bajo de la línea (presión más alta), que en este caso, está en el punto de pivote. Colóquela aguas arriba de la válvula de compuerta en el pivote. Tanto la válvula de alivio de vacío de aire como la válvula de alivio de presión podrían estar en el mismo tubo ascendente. Dado que la válvula de alivio de vacío de aire es de 2″ y la válvula de alivio de presión es de 3″ de diámetro, el tubo ascendente debe tener un mínimo de 3″. Con la válvula de alivio de presión fluyendo a 610 gpm, la velocidad es mayor a 20 pies/seg en el tubo ascendente. Esta velocidad es mayor que el 5 pies/seg permitido para tuberías de plástico, por lo que el tubo ascendente debe estar hecho de tubería de acero o usar una tubería más grande para reducir la velocidad.
