Curso sobre:

 

DISEÑO DE TUBERIAS PARA CONDUCIR AGUA POR GRAVEDAD

 

Lección 1

 

 

Cuando se diseña la tubería de un sistema de distribución de agua por gravedad se presume generalmente que el flujo de agua llenará la tubería. En ese caso el caudal en la tubería esta controlado por la carga disponible, el largo, el diámetro y aspereza de la tubería y las así llamadas perdidas singulares causadas por diferentes obstrucciones (constricciones, codos, expansiones, tés y especialmente válvulas). Este caso lo llamaremos el de la tubería llena o el determinado por la fricción. Se encuentra adecuadamente explicado en varios libros de texto y manuales (A Handbook of Gravity-Flow Water Systems por Thomas D. Jordan, Intermediate Technology Publications, 1984.). Pero, si por alguna razón la tubería no esta completamente llena de agua, la relación entre la carga disponible y el caudal será muy diferente. Esto se producirá en varios casos, por ejemplo:

 

·  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 esta alimentada por un una fuente a través de una caja de acopio y que su producción es menor que aquella por la cual fue diseñado el sistema.

 

Ahora bien, la creencia general es que si hay aire en una tubería es necesario deshacerse de el para que los tubos puedan funcionar llenos de agua. Esto se debe a que la presencia de aire a menudo aumenta la carga necesaria para lograr un caudal determinado. De hecho, no es nada raro que el aire actúe como una obstrucción de modo que no haya agua alguna que salga por la boca de salida de la tubería.

 

Por otra parte, resulta que en el caso de sistemas con fuentes cuya producción es incierta o variable, hay una gran ventaja en poder operar con aire en las tuberías. La ventaja es que se puede diseñar el sistema de tal modo que funcione como un canal y no como una tubería.

Dentro delimites fácilmente calculables conducirá hasta el final de la tubería todo el caudal producido por el manantial, y todo esto sin tener que ajustar ninguna válvula – sin necesidad de controles.

 

Este curso esta escrito para ayudarle a bien manejar el aire en tuberías de agua. En particular, permitirá que:

 

·  Entienda el problema de iniciar la operación con tuberías vacías,

·  Prediga lo que sucederá si el abastecimiento de agua es o llega a ser menor de lo que había supuesto en sus cálculos (para un sistema controlado por la fricción)

·  Diseñe de propósito sistemas que abastecen suavemente de forma automática una serie especificada de caudales a pesar de que casi siempre haya aire presente en las tuberías.

 

A través de todo este curso suponemos que, aunque con el tiempo pueda variar

la producción del manantial, uno de sus objetivos principales es conducirla

integralmente hasta un caudal máximo escogido al tanque de distribución al

final de la tubería.

 

Este curso esta destinado a la vez a dos tipos de diseñadores:

 

·  Los que no han tenido la desagradable experiencia de ver que problemas con aire hacen que se comporten mal sus tuberías,

·  Los que, angustiados por potenciales problemas de aire, ponen una válvula automática saca aire en cada punto alto de sur tubería.

 

Primero se presentaran los antecedes hidráulicos necesarios para entender el tema.

 

Luego se analizara el método para predecir flujos y diseñar sistemas con aire en las tuberías. Finalmente, se presentaran varios ejemplos que le ayudarán a usar este material y llegar a dominar el tema.

 

Hallara entre estos unos diseños determinados por fricción que caen en problemas cuando el caudal del manantial llega a ser un poco menor que le valor del diseño, tanto como casos en los que no hay problemas de aire no importe cuan pequeño sea el caudal suministrado a la tubería. Después de haber estudiado estos ejemplos podrá predecir si su diseño determinado por fricción le causará problemas en una situación específica o no. También podrá modificar sus diseños para eliminar los problemas que resulten del aire en las tuberías.

 

Los ejemplos ponen en claro que el problema no es escoger entre un diseño de tubería llena determinado por fricción y un diseño de tubería con una mezcla aire-agua sino más bien adaptar el diseño considerando la probabilidad de que haya aire presente en las tuberías parte del tiempo.

 

La manera habitual de eludir la posibilidad de un atasco por bolsas de aire es de sistemáticamente instalar válvulas automáticas saca-aire en cada uno de los puntos altos de una línea de conducción. No aconsejamos esta opción por las razones siguientes:

 

1) Como se explicará en el texto cuando una tal válvula funciona en un segmento “supercritico” del circuito con un flujo transitorio de agua y aire, se abre y se cierra constantemente y de manera abrupta, lo que limita su tiempo de vida,

 

2) Algunos circuitos no necesitan válvulas ni previsiones particulares para manejar aire ingerido. ¿Porque aumentar su complejidad y sus costos en estos casos?

 

3) La colocación de válvulas saca-aire cerca de puntos altos es algo delicada: se tienen que poner cerca del inicio pero dentro de las bolsas de aire que se forman (si hay flujo) únicamente aguas abajo de los puntos altos que no son nada fácil de ubicar precisamente.

 

Este es un argumento más a favor de no colocar ciegamente válvulas inútiles.

 

Se ha ordenado el material a continuación de tal manera que se presentan los fundamentos en el Capítulo I. En el Capítulo II se explica la manera de proceder con el diseño. En ese Capítulo se le enseña cómo manejar el aire. En otras palabras: el Capitulo II corresponde a la parte del manual que enseña el “cómo hacerlo”, mientras que el Capitulo I corresponde a la parte que hace referencia al “porqué. El Capítulo III presenta los ejemplos que explican la materia. La información adicional necesaria para lograr un diseño se encuentrará en el Apéndice A que enviaremos al final de este curso, En el Apéndice B se plantea unos puntos especializados. Estos se pueden leer al finalizar este curso.

 

Obviamente las soluciones que se presentan en los Capítulos II y III no son las únicas soluciones posibles, quizás ni sean las mejores. Después de examinar la materia, sin duda escogerá su propia solución. Lo importante es tener suficientes elementos disponibles para poder tomar una decisión fundada.

 

Nota: es posible (aunque aburrido) realizar un diseño adecuado sin usar las ecuaciones que aparecen en este curso, es decir solamente añadiendo, sustrayendo, multiplicando y dividiendo las tablas. Las únicas excepciones son las dos formulas del Apéndice A-IV. Esto se muestra en los Capítulos II y III.

 

SIMBOLOS

 

h = carga en metros (de head en inglés)

H = altura en metros (de Height en inglés); HAB= diferencia de altura entre A y B (lo que significa HA–HB);

 

Los índices 1 y 2 se refieren a dos puntos a lo largo de la tubería, el punto 1 estando aguas arriba del punto 2. La letra S se refiere al manantial (Spring en inglés) o a la caja de acopio. La letra T se refiere al final de la tubería o al tanque de distribucion.

 

Otros puntos a lo largo de la tubería están indicados en los esquemas.

 

ha = carga disponible (HS–HT)

ht = altura de escurrimiento (definida en el texto). El Apéndice A muestra como se calcula.

hf = perdida de carga por fricción. Se puede usar la tabla A 1 o las formulas en el Apendice A para calcularla.

hf1 = perdida de carga por fricción para Q = QC

hr = carga máxima requerida (hr = hf + ht) si Q es más pequeño que QC

(hr = hf) si Q es más grande que QC

Q = caudal (m3/s)

QC = el caudal critico el más pequeño, o sea el caudal por el cual una larga bolsa de aire es llevada aguas abajo en un segmento horizontal del tubo. Su valor depende únicamente del diámetro de la tubería (ver ecuaciones 1c y 1d, y la tabla A2).

QS = el caudal critico el más grande, o sea el caudal por el cual una larga bolsa de aire es llevada aguas abajo cualquiera sea la pendiente de la tubería.

Qmax = producción máxima esperada del manantial.

Qmin.= producción mínima esperada del manantial.

Q* = Q/QC o Q/QS. Si Q< QC el flujo es llamado subcritico. Si Q> QS es llamado supercritico. supercritico. Cuando QC< Q< QS el flujo es considerado transicional.

L = larga de una tubería. LST = larga de la tubería del manantial hasta el tanque. LAB

= larga de la tubería entre los puntos A y B…

V = velocidad del agua en m/s (promedio por sección)

g = aceleración de la gravedad (9.81 m/sec2)

A = superficie interior de un corte perpendicular del tubo

 

En la próxima lección veremos:

a.- Aire en las tuberías

b.- Dos maneras de limitar la descarga en tuberías

c.- Hablaremos sobre el caudal critico.

d.- Conversaremos sobre las perdidas de carga en tuberías.