Guía de cálculos hidráulicos en sistemas de tuberías (5ª PARTE)

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Estas válvulas típicamente contienen un flotador, que eleva y cierra el orificio cuando el cuerpo de la válvula se llena con agua. Una vez la línea se ha presurizado, este tipo de válvula no puede reabrirse para quitar aire que puede subsecuentemente acumularse hasta que la presión es negativa, permitiendo que el flotador caiga. Si la presión es negativa durante un transitorio o durante el drenaje, el flotador cae y admite aire en la línea. Para estas tuberías de pared delgada que pueden colapsar bajo vacíos internos, las válvulas de aire/vacío se dimensionarán para una rotura total de la tubería en la elevación de la tubería más baja. La válvula de vacío debe suministrar un caudal de aire igual a la máxima tasa de drenaje del agua de la rotura de la tubería y en una presión de la tubería interna por encima de la presión de colapso de la tubería.

El factor crítico para dimensionar válvulas de aire/vacío es usualmente el caudal de aire para proteger la tubería de una rotura total de la tubería.

Las válvulas de liberación de aire contienen un pequeño orificio y están diseñadas para liberar pequeñas cantidades de aire presurizado que queda atrapado durante el llenado y que se acumula después del relleno y presurización total. El orificio pequeño es controlado por un émbolo activado por un flotador en el extremo del brazo de la palanca. Ya que el aire se acumula en el cuerpo de la válvula, el flotador cae y abre el orificio. Cuando el aire es expulsado, el flotador se eleva y cierra el orificio. El dimensionado de las válvulas de liberación de aire requiere una estimación de la cantidad de aire presurizado que debe ser expulsado. Esto es determinado por el procedimiento de relleno y cualquier fuente de aire que pueda ser admitida en la tubería o ser desgasificada del líquido durante la operación.

La válvula de combinación es actualmente dos válvulas: una válvula grande que funciona como válvula aire/vacío y una pequeña que funciona como válvula de liberación de aire. La instalación puede consistir en una válvula aire/vacío y una válvula de liberación de aire sondeado en paralelo, o las dos pueden ser alojadas en un cuerpo de válvula simple. La mayoría de las instalaciones de válvula de aire requieren válvulas de combinación.

Una precaución es que la liberación manual de aire debe evitarse debido a que una operación inapropiada puede ser muy peligrosa. Si el sistema es presurizado con válvulas de aire manual cerradas, el aire atrapado será presurizado a la presión total del sistema. Cuando la válvula de aire se abre manualmente, la liberación del aire presurizado puede causar la rápida aceleración del líquido y generar serios transitorios cuando el agua decelera cuando golpea la válvula de aire. Si se instalan válvulas de aire manuales, serán muy pequeñas para que la tasa de liberación de aire se controle a un nivel seguro.

La localización de válvulas de aire en un sistema de tuberías depende del perfil de la tubería, la longitud de tubería, y caudales. Preferiblemente, las tuberías se colocarán de forma que las válvulas se sitúen en los puntos altos o a intervalos si no hay puntos altos.

La velocidad del caudal durante el llenado es importante. Una forma segura de rellenar la tubería es limitar la tasa de relleno inicial a una velocidad de caudal promedio de alrededor de 0,3 m/s hasta que la mayoría del aire es liberado y las válvulas de vacío se cierran. El siguiente paso es impulsar el sistema a alrededor de 1 m/s, a una presión del sistema baja, para impulsar el aire restante a una válvula de liberación de aire. Es importante que el sistema no sea presurizado hasta que se haya retirado el aire. Permitiendo que grandes cantidades de aire bajo alta presión se acumulen y se muevan a través de la tubería es probable que se generen transitorios severos.

a.      Selección de bombas

La optimización de un sistema de agua requiera una apropiada selección, operación, y mantenimiento de bombas. Durante el proceso de selección, el diseñador debe evaluar el acoplamiento entre el rendimiento de la bomba y debe anticipar problemas que se encuentran cuando la bomba arranca o para y cuando la tubería se llena o drena. El diseño debe también considerar el efecto de las variaciones en los requerimientos de caudal, y también anticipar problemas que se encuentran debidos a demandas futuras incrementadas.

La selección de una bomba para un servicio particular requiere acoplar los requerimientos del sistema con las capacidades de la bomba. El proceso consiste en desarrollar una ecuación de sistema aplicando la ecuación de la energía para evaluar la altura de bombeo requerida para superar la diferencia de elevación, fricción, y pérdidas menores. Para una bomba suministrando agua entre dos depósitos, la altura de la bomba requerida para producir una descarga dada puede expresarse como:

C es la constante que estudiamos al ver las pérdidas locales.

En la siguiente figura vemos la curva del sistema para una tubería con 82 m de altura de elevación y pérdidas de fricción moderadas. Si la elevación a un depósito es variable, entonces no hay una curva simple sino una familia de curvas correspondiendo a la elevación del depósito diferencial.

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