El aire en las tuberías de agua aparece principalmente como

bolsones grandes y estacionarios o como burbujas

grandes o pequeñas móviles.

Cuando el aire se junta en diferentes partes de la tubería

sin moverse mueve, el paso del agua puede ser obstruido

al punto que el agua no fluya en absoluto, o bien el

agua puede circular escurriéndose por debajo de los bolso-

nes de aire. Aprenderá a deducir cual de las dos situacio-

nes se producirá en un caso determinado.

Cuando el agua fluye por la tubería a una velocidad

suficientemente alta, los bolsones de aire no pueden

Permanecer estacionarios y son empujados junto con el agua. En ese caso la presencia del aire en la tubería no afecta

la salida del agua. También podrá determinar cuando se producirá esta situación en un caso determinado.

Bolsones de aire estacionarios : puede toparse con este problema al llenar por primera vez la línea de condu-

cción de un sistema de distribución de agua por gravedad recién construido, ya que estará al menos parcialmente

llena de aire.

Figura I-1

Si, como sucede en la figura I-1, el perfil tiene un punto máximo local (punto B) entre el manantial S y el estanque T, a

medida que se deja salir un flujo pequeño de agua de Figura I-1

Si, el agua se acumulará en el punto bajo A y luego llenará la tubería a ambos lados de A (figura I-1a).

El aire será expulsado progresivamente de esta sección de la tubería hasta que no quede más aire entre A y B y el agua

llegue al nivel de la parte inferior de la tubería en el punto B (Figura I-1b). La sección BC' seguirá llena de aire y

ahora el agua escurrirá lentamente por debajo del aire en dirección descendiente hacia C'. Un pequeño caudal de agua

no será capaz de expulsar este aire. A este bolsón de aire estacionario que se encuentra sobre el hilo de agua la denomi-

naremos un soquete de aire. El hilo de agua fluyendo por debajo del soquete pronto llenará el fondo de la tubería en

C', de modo que el aire entre B y C' ahora estará atrapado y aislado de la atmósfera: el soquete se habrá cerrado

(Figura I-1b).

Un Soquete Causa una Pérdida de Carga Igual a Su Altura. El soquete constituye un cons-treñimiento causante

de una nueva pérdida de carga: la presión a lo largo de todo el soquete aguas abajo de B debe ser uniforme (porque

las variaciones de la presión hidrostática en los gases son insignificantes), y esto hace que la presión en el delgado chorro

de agua que fluye por debajo del soquete de aire sea forzosamente uniforme. De allí se origina la pérdida de carga

causada por la presencia del soquete:

Entre B y el final del soquete el agua pierde energía potencial (altura), no existe ningún aumen-to correspondiente

en la carga de presión puesto que la presión sigue igual en el chorro que flu-ye por debajo del soquete de aire, y la

energía cinética (altura de velocidad) es la misma tanto al comienzo como al final del soquete.

La pérdida de carga causada por la presencia del soquete corresponde a la diferencia entre las cotas al

comienzo y al final del mismo.

Dos o Más Puntos Altos. Si existen varios puntos altos locales, como sucede en la figura I-2, a medida que se sigue

llenando la tubería aparecerán más soquetes de aire aguas abajo de estos puntos altos, con el resultado que se perderá

más carga. La pérdida de carga total es igual a la suma de todas las pérdidas de carga individuales de cada soquete.

Figura I-2

El Efecto de la Carga en los Puntos Altos. Observe en las Figuras I-1c y I-2 que, Mientras que la parte superior de los

soquetes de aire permanece en el nivel de los puntos altos locales, como B o D, la parte inferior no tiene por qué

permanecer en los puntos bajos locales, porque a medida que se sigue llenando la tubería, la presión hidrostática

en los soquetes aumenta. Esto comprime el aire en los soquetes haciendo que su volumen disminuya, y así ellos se hacen

más cortos y su nivel inferior sube de C' a C y de E' a E.

Al Llenar la Tubería ¿Saldrá Agua por la Boca de Salida?

Si se sigue liberando agua lentamente del manantial, el nivel de agua en la tubería más abajo del manantial podría llegar

al nivel del estanque del manantial S antes de salir por la boca de salida de la tubería en el nivel T. Este es el caso que se

muestra en la Figura I-1c. En ese caso el agua no puede llegar al estanque aguas abajo sino hasta que se haya purgado

algo de aire de los soquetes. Este caso se produce cuando la carga disponible, ha = HS-HT, es menor que la

suma de las alturas de los soquetes. O el agua podría salir por la boca de salida en el punto T antes de rebalsarse al

nivel de S. En ese caso, Ud. quizás querrá purgar algo de aire de los soquetes, pero de todos modos antes de hacerlo

algo de agua escurrirá por la boca de salida de la tubería. Este caso se produce cuando ha = HS-HT es mayor que

la suma de las alturas de los soquetes.

Esto enfatiza la importancia de calcular la suma de las alturas de los

soquetes. En el Apéndice A-II se enseña cómo hacerlo. Si el Agua

Fluye: Dos Maneras de Limitar la Descarga. Hasta ahora hemos

supuesto que sólo una cantidad muy pequeña de agua es entregada por

el manantial.

Ahora supondremos que la descarga del manantial es mayor, aunque

siempre limitada. O sea no existe un estanque Grande o un lago

en el sitio del manantial. Podemos ver que el caudal de agua y las

descargas en T pueden ser limitados de una de dos maneras:

1. Se puede limitar por medio de la pérdida de carga en la tubería. Esta pérdida de carga aumenta con el caudal, así que

existe un gasto en el cual la pérdida de carga es igual a la carga disponible, y obviamente no importa cuanta agua salga

del manantial, la cantidad que fluye por la tubería no puede superar el caudal en el cual la carga disponible es igual a la

pérdida de carga. El resto de la producción del manantial simplemente rebalsa del estanque del manantial. (Desde el

punto de vista práctico esto es poco deseable ya que rara vez nos encontramos con fuentes cuya producción excede las

necesidades presentes o futuras de la comunidad, así que, consideramos que un derrame en el manantial constituye una

pérdida, aun cuando el suministro al estanque de distribución cumpla con las necesidades mínimas: la comunidad

siempre puede servirse ventajosamente de agua adicional).

2. O la descarga puede estar limitada por la producción del manantial. Esto sucede siempre que dicha producción es

menor que el caudal para el cual las pérdidas de carga son iguales a la carga disponible.

En el primer caso (gasto limitado por pérdidas de carga) la

sección de la tubería más abajo de S estará llena de agua.

En el segundo caso (gasto limitado por producción del

manantial) el caudal que sale del estanque del manantial no

llenará la tubería, y empezaremos más abajo de S con lo

que se podría llamar una cascada. Esto es importante porque

generalmente la cascada produce burbujas de aire y

éstas son transportadas (en mayor o menor grado) por el agua

a lo largo de la tubería, de modo que en este segundo caso

junto con el agua también se suministrará aire. A veces esto

no tiene mayor importancia; sin embargo, veremos que

existen casos frecuentes donde esta nueva fuente de

aire causa problemas.

El caudal Crítico.

Ahora regresemos a los soquetes de aire que suponemos que no hemos purgado. Resulta que existe un gasto especial que

se llama el caudal crítico, Qc, que es fijado por el diámetro de la tubería en la zona de los soquetes.

Puede ser que el sistema sólo entregue un caudal inferior al crítico Qc, ya sea porque el caudal que sale del manantial es

menor o porque las pérdidas combinadas causadas por roce para Q = Qc y el aire en los soquetes superan la presión

disponible. O el sistema podrá entregar un caudal mayor que Qc porque el caudal que sale del manantial es mayor

y la carga disponible es mayor que la suma de la pérdida por roce requerida para Q = Qc y cualquier otra pérdida de

carga debido a la presencia de aire.

Pues el caudal crítico Qc tiene el siguiente significado físico : Si el caudal Q que el sistema es

capaz de producir es menor que Qc, los soquetes de aire permanecerán en posiciones fijas

aguas abajo de los puntos altos. Los puntos superiores de los soquetes permanecerán al

mismo nivel que los puntos altos de la tubería. El nivel de los puntos inferiores de los

soquetes dependerá de la masa de aire que haya logrado entrar al soquete y de la presión

en él. La pérdida de carga que producirán seguirá siendo la suma de las alturas de los soquetes.

Si el caudal Q que el sistema es capaz de entregar es mayor que Qc, el aire será expulsado de los soquetes y cualquier

aire adicional proveniente desde aguas arriba también circulará por la zona de los soquetes sin quedar atrapado.

El caudal crítico sólo depende del diámetro de la tubería en la zona del soquete, se da en puntos altos cuando:

Qc = 0,38 d5/2g1/2 (1a)

Pero soquetes estacionarios no serán llevados aguas abajo de la cuesta siguiendo el punto alto hasta que el caudal Q

valga:

Qs = 0,50 d5/2g1/2 (1b)

donde d es el diámetro interior de la tubería en la zona del soquete y g es la aceleración de gravedad. Si Q está en

metros cúbicos por segundo, las ecuaciones (1a) y (1b) se puede escribir con d en metros:

Qc = 1,19 d5/2 (1c)

Qs = 1,57 d5/2 (1d)

En la tabla A2, Apéndice A, se da Qc y Qs para algunos diámetros de tubería. A los gastos mayores que Qs se

les llama supercríticos, y a los que son menores que Qc se les llama subcríticos., subcritical.

¿Podemos Evaluar la Pérdida de Carga Adicional Causada por los Soquetes?

Una conocida ecuación energética (escrita en unidades de altura) nos permite determinar el flujo en tuberías llenas sin

soquetes de aire. Es:

1 2 3

El primer término a la izquierda corresponde a la "energía cinética" (energía de velocidad). El segundo corresponde a

la energía de presión. Y el tercero corresponde a la "energía potencial" (energía debido a altura). El subíndice 1 se refiere

a la sección aguas arriba y el subíndice 2 a la sección aguas abajo. La ecuación dice que la suma de los tres términos

energéticos en la sección aguas abajo es menor que la suma de los tres términos energéticos en la sección aguas arriba

porque hay una pérdida hf causada por la fricción entre 1 y 2. Esta pérdida siempre es positiva. Se puede calcular hf si

se conoce los valores de Q, d, y la distancia entre 1 y 2, (véase el Apéndice A). Ahora bien, tal como hemos visto,

cuando existen soquetes de aire entre 1 y 2, la ecuación energética debe incluir un término adicional de pérdida en el

lado derecho de la ecuación. Sólo se puede calcular este término cuando se sabe la diferencia entre las cotas al comienzo

y al final de los soquetes. Sin embargo, este caso se produce solamente cuando se llenan tuberías vacías (véase el

Apéndice A), y no más adelante porque el aire puede salir de los bolsones de aire como burbujas, y además puede

ingresar desde aguas arriba para reaprovisionar lo que ha salido como burbujas; así que por lo general no se sabe cuanto

aire hay en la tubería. Lo que sí se sabe es que la pérdida inicial de carga a causa de los soquetes que usted encontrará

al llenar las tuberías vacías por primera vez y que luego calculará para el caudal crítico (más adelante llamaremos a esta

pérdida de carga la altura de escurrimiento, ht), corresponde a la pérdida máxima de carga causada por soquetes de

aire.

AISLAMIENTO DE TUBERIAS REFINERIA Normalmente usted diseñará pensando en esta situación,

que es el peor de los casos.

Debe tener en mente los puntos siguientes:

- la pérdida de carga causada por un soquete de

aire que contiene una masa determinada de aire

no variará significativamente con el caudal, siempre

y cuando ese gasto sea menor que el crítico, Qc.. En

el caso en que Q es mayor que Qc (en realidad menor

que Qs como se verá en el Capítulo II), la pérdida

de carga desaparecerá porque el aire será expulsado.

- la pérdida de carga causada por soquetes no es solamente un problema de la puesta en marcha. Sin impor-

tar si el caudal es subcrítico o supercrítico, las burbujas de aire y los bolsones de aire pueden ser transpor-

tados desde la parte de la tubería debajo del manan-tial hacia el lugar donde se encuentran los soquetes de

aire, siempre que la carga reque-rida sea menor que la carga disponible. Si el caudal es subcrítico, esto quiere

decir que los soquetes de aire podrán volver a llenarse después de haber sido purgados en forma manual.

En la próxima lección veremos los siguientes puntos:

1.- Bolsones y Burbujas de Aire en Movimiento.

2.- Arrastre de Aire en Gastos Subcríticos y Supercríticos Cuando la Producción del manantial Limita

el Caudal.

3.- Conversaremos sobre que la capacidad de una tubería a funcionar de manera supercritica.

NOTA:

El material de apoyo que se suministra en este curso no tiene garantías de ninguna clase, el usuario o adquiriente se

responsabiliza totalmente por su uso y por los daños, de cualquier naturaleza, que pudieran sobrevenir de su empleo.

EL MUNDO DEL INGENIERO MECANICO no asume ninguna responsabilidad por este o por cualquier otro

concepto con relación a este producto que ofrecemos totalmente gratis.