EL AIRE Y LAS VALVULAS DE AIRE EN LAS CONDUCCIONES

BOLETIN TECNICO #08
EL AIRE Y LAS VALVULAS DE AIRE EN LAS
A partir de apuntes tomados
en capacitaciones dictadas por
CONDUCCIONES - PARTE 2
Giora Heimann
Technical Consultant
E-Mail: [email protected]
Algo sobre el “golpe de ariete” El Golpe de Ariete, Golpe de Presión, u Onda de Presión (Water Hammer), es un
fenómeno que se da en las conducciones y puede ser definido como la variación en la presión,
(valores muy superiores y muy inferiores a los esperables en condiciones normales de
operación), producto de un cambio brusco en la velocidad del agua.
En el mismo, el agua que viaja a cierta velocidad por la conducción, detiene instantáneamente
la velocidad, transformando la energía de movimiento en energía de presión.
ENERGIA CINETICA Æ ENERGIA DE PRESION
La sobrepresión generada, llamada onda de alta presión, viaja por la conducción. Seguida de
esta, se produce una segunda fase de depresión, llamada onda de baja presión.
El ciclo de onda de alta presión seguido de una de baja presión se repite una y otra vez,
viajando las ondas dentro de la conducción y en ambos sentidos, pudiendo ocasionar graves
daños a la tubería.
El golpe de ariete se verifica tanto en acueductos
gravitacionales como en impulsiones y afecta a
tubos, accesorios y bombas.
En la fase de ALTA las tuberías se rompen por
superar la presión máxima.
En la fase de BAJA, las tuberías se rompen por
colapso o aplastamiento.
Nota: existen distintos dispositivos de seguridad y control para limitar el golpe de ariete: válvula
anticipadora de onda RE, válvula de control de bombeo BC, válvula de pozo profundo DW, válvula de
apertura en dos etapas TO, válvula de alivio rápido QR, etc. Para cada situación hidráulica podrá
seleccionar uno o varios de los mismos. Dorot cuenta con un experimentado y reconocido
Departamento Técnico, especializado en el estudio y solución del mencionado fenómeno.
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
Puede el aire provocar o colaborar en un Golpe de Ariete? Nadie discute la importancia de las válvulas de aire en las conducciones y acueductos.
Pero este dispositivo tan importante para permite el “intercambio” de aire entre la conducción y
la atmósfera, puede transformarse en un elemento peligroso.
Veamos un par de ejemplos donde las válvulas de aire pueden “jugar en contra”.
Ejemplo #1. Válvula de aire en picos altos intermedios  Etapa 1. ACUEDUCTO PRESURIZADO
− El acueducto esta lleno de agua y funcionando normalmente, bajo presión.
− El flotante de la válvula de aire esta en el extremo superior y no sale ni entra aire, excepto el
que pueda sacar el orificio de purga en su función de mantenimiento.
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
 Etapa 2. DETENCIÓN SUBITA NO PROGRAMADA DEL BOMBEO
− Se genera un corte eléctrico y se detiene el bombeo.
− En los puntos altos intermedios se generan presiones sub-atmosféricas y se “corta” la
columna de agua.
− Interviene la función cinética-vacío de la válvula permitiendo el reingreso de grandes
cantidades de aire.
− Las presiones negativas nunca alcanzan valores peligrosos.
Detención súbita
del bombeo
NUEVA LINEA DE
PRESION DINAMICA
A los pocos segundos de la
detención del bombeo
INGRESO DE GRANDES
MASAS DE AIRE
Separación de la columna de agua
Válvula de aire en función CINETICA – VACIO
 Etapa 3. RETORNO DEL FLUJO DE AGUA HACIA LA VALVULA DE AIRE
− Las masas de agua regresan hacia la válvula de aire.
− Las masas de aire que habían ingresado previamente, son empujadas por el agua a salir por
la válvula de aire.
− El aire sale a gran velocidad y el agua se mueve a gran velocidad.
A
AMIC beo
N DIN
m
ESIO ción del bo
R
P
DE
ten
EA
la de
A LIN
os de
NUEV os segund
A los
poc
SALIDA DE GRANDES
MASAS DE AIRE
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
 Etapa 4. CHOQUE DE LAS MASAS DE AGUA. GOLPE DE ARIETE
− Las masas de agua que viajaban a gran velocidad (alta carga de ENERGIA CINETICA) se
encuentran, generando una alta carga de ENERGIA DE PRESION Æ GOLPE DE ARIETE.
CHOQUE DE MASAS
DE AGUA A ALTA VELOCIDAD
Ejemplo #2. Válvula de aire a la salida de una bomba de pozo profundo −
Bomba de pozo profundo, situada
VALVULA
DE AIRE
a gran profundidad.
Impulsión “cuesta arriba”.
−
Válvula de retención cerrada.
−
Presión estática importante.
−
Tubería de elevación vacía.
 Etapa 1. ARRANQUE DE LA
BOMBA
−
Se inicia el bombeo.
−
Dado que el tubo de subida esta
Tubería vacía.
Gran cantidad
de aire es
100 m .
−
IMPULSION
CUESTA ARRIBA
VALVULA DE
RETENCION CERRADA
liberado por la
válvula de aire.
El agua
asciende a gran
velocidad.
La válvula de
retención esta
cerrada.
vacío, la bomba impulsa ALTO
CAUDAL de agua a MUY BAJA
PRESION.
−
La válvula de aire permite la salida
de gran cantidad de aire y el agua
ascienda a ALTA VELOCIDAD.
BOMBA
(profunda)
SALIDA DE GRANDES
MASAS DE AIRE
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
 Etapa 2. SE LLENA EL TUBO DE SUBIDA. SE CIERRA LA VALVULA DE AIRE
−
Se llena el tubo de subida.
−
La válvula de aire se
VALVULA
DE AIRE
IMPULSION
CUESTA ARRIBA
cierra bruscamente.
−
La válvula de retención
permanece cerrada.
−
La masa de agua que
Tubería llena.
viajaba a gran velocidad
La válvula de
aire se cierra
bruscamente.
(alta carga de ENERGIA
CINETICA) es detenida
instantáneamente
generando una alta
VALVULA DE RETENCION
TODAVIA CERRADA
La válvula de
retención
todavía esta
cerrada.
Hay un “golpe
de presión”.
carga de ENERGIA DE
PRESION Æ GOLPE
DE ARIETE.
BOMBA
(profunda)
CHOQUE DE MASA
DE AGUA A ALTA VELOCIDAD
Conclusiones que se pueden sacar de los ejemplos:
9
La válvula de aire es un excelente dispositivo para dejar escapar el aire que esta
siendo empujado por el agua.
9
Si el agua no tiene ninguna restricción, adquiere alta velocidad.
9
Cuando la válvula de aire se cierra bruscamente obliga al agua a detenerse
instantáneamente.
9
La detención brusca del agua, transforma la energía cinética en energía de presión.
9
Se genera un GOLPE DE ARIETE.
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
Se puede hacer algo para evitar el Golpe de Ariete? Si la salida del aire es “demorada”, también será “demorado” el avance del agua.
Una disminución en la velocidad del agua diminuirá la ENERGIA CINETICA y por ende la
ENERGIA DE PRESION.
La idea es utilizar el aire como una suerte de cojín o bolsa de aire (“air-bag”).
a menor
VELOCIDAD
DE SALIDA
DEL AIRE
menor
VELOCIDAD
DE AVANCE
DEL AGUA
menor
ENERGIA DE
PRESION
DEL AGUA
Que es el dispositivo SA‐limitador de onda de las válvulas DAV‐M? El SA es un dispositivo que se instala en cualquier válvula
de aire de la serie DAV-M, el cual esta provisto de un disco de
PEAD. El mismo limita la velocidad de salida del aire.
 Si el aire esta saliendo de la válvula a velocidad
“normal”, lo hará por el orificio cinético principal. El
dispositivo SA no cumplirá ninguna función. El disco
estará en la posición inferior.
 Si el aire esta saliendo a velocidad “excesiva”, el disco
del SA asciende y cierra el orificio cinético. El aire
se verá obligado a salir por el/los orificio/s
menor/es. El caudal de aire será menor.
Orificio cinético. Alto caudal de aire. Orificios menores. Menor caudal de aire. La cantidad de orificios menores que se dejen abiertos es variable y puede ser calculado.
Consulte al Departamento Técnico de Dorot sobre el dimensionamiento vinculado con el SA limitador de onda.
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
Orificio menor Disco del SA El dispositivo SA solo actúa cuando esta saliendo aire a alta velocidad.
BAJO CAUDAL DE AIRE ALTO CAUDAL DE AIRE Disco del SA en
posición superior
Disco del SA en
posición inferior
9
SALIDA DE AIRE A VELOCIDAD “NORMAL” SALIDA DE AIRE A MUY ALTA VELOCIDAD Flotante principal y flotante 9
superior, ambos en posición inferior 9
Disco del dispositivo SA en posición ambos en posición inferior 9
inferior 9
Salida de grandes caudales de aire. Flotante principal y flotante superior, Disco del dispositivo SA en posición superior 9
Salida de pequeños caudales de aire. LA VELOCIDAD DEL AGUA ES LIMITADA POR EL AIRE
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
Donde se deben ubicar las válvulas de aire con dispositivo SA ‐ limitador de onda? SA - limitador de onda.
Al disminuir el caudal de salida de
aire, disminuye la velocidad del agua.
EN PICOS ALTOS INTERMEDIOS DONDE EXISTA LA POSIBILIDAD DE RUPTURA DE LA VENA LÍQUIDA Y RIEGO DE GOLPE DE ARIETE
SA - limitador de onda.
Al disminuir el caudal de salida de
aire, disminuye la velocidad del agua.
A LA SALIDA DE BOMBAS DE POZO PROFUNDO, EN IMPULSIONES CUESTA ARRIBA, CON PRESENCIA DE VÁLVULA DE RETENCIÓN DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
SA - limitador de onda.
Al disminuir el caudal de salida de
aire, disminuye la velocidad del agua.
FINALES DE TUBERIAS DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
AirCAD, el software de para dimensionamiento y posicionamiento de las válvulas de aire en conducciones. El AirCAD es una herramienta que ayuda a los técnicos a dimensionar las válvulas de
aire y determinar su ubicación en acueductos y conducciones.
El mismo no reemplaza el criterio del profesional.
Que información necesita AirCAD para operar:
Perfil topográfico de la conducción. A partir de una polilínea de Autocad o bien de una
planilla de Excel con 2 columnas: progresiva / altimetría (*).
Datos de la tubería: material, diámetro, espesor.
Caudal.
Presencia de bombas, válvulas de retención, cisternas, etc.
Que parámetros permite el AirCAD que el técnico modifique:
La distancia máxima-mínima entre cada válvula de aire.
Que resultados arroja el AirCAD:
Cantidad y tipo de válvulas de aire.
Ubicación de las válvulas de aire.
Como presenta los resultados el AirCAD:
Como archivo dxf de Autocad (*).
Como archivo de Excel.
(*) AirCAD, además de ser una excelente herramienta para el dimensionamiento y posicionamiento de
las válvulas de aire, como beneficio adicional, si la información original proviene de un archivo Excel la
transforma en una polilínea de Autocad.
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com
BOLETIN TECNICO #08
Lista de válvulas de aire
=========================
Tubería: 1.
Estación Distancia
100,00
350,00
950,00
1250,00
250,00
600,00
300,00
Elevación
52,00
59,00
61,00
64,00
Tipo
KA
KA
KA
KA
Recomendado válvulas
Opción A
Opción B
DAV- MS- 4- KA
DAV- MH- 3- KA
DAV- MS- 4- KA
DAV- MH- 3- KA
DAV- MS- 4- KA
DAV- MH- 3- KA
DAV- MS- 4- KA
DAV- MH- 3- KA
INGENIERIA DEL AirCAD. Algunos aspectos tenidos en cuenta por el software:
Las válvulas de aire deben drenar el aire de la conducción durante el llenado y por cada m3 de agua que ingrese, debe
poder salir un m3 de aire.
Las válvulas de aire deben permitir el reingreso de aire durante el vaciado, y por cada m3 de agua que salga, debe poder
ingresar un m3 de aire.
Las válvulas de aire deben drenar las burbujas de aire acumuladas en las partes altas en forma automática, con la
conducción presurizada.
Para calcular el caudal de aire que fluye a través del orificio de la válvula se utiliza la ecuación de Bernoulli
V=sqrt (2g*k/(k-1)*P1/ρ*sqrt {[(P2/P1)^(2/k)]-[( P2/P1)^[(k+1)/k]}
V= velocidad del flujo del aire comprimido
k- Coeficiente de expansión del gas (aire= 1.4)
ρ = densidad del aire comprimido (depende de la presión)
P2/P1= relación de presión a través del orificio
El resultado obtenido será afectado por el coeficiente de eficiencia de la válvula. Si bien en base a pruebas y ensayos Dorot
determinó que el coeficiente de eficiencia de sus válvulas es de 0.73, a los efectos de la utilización del AirCAD ha adoptado
0.60.
El caudal de aire obtenido por Bernoulli y afectado por la eficiencia de la válvula es la base para el dimensionamiento del
tamaño del orificio de la válvula de aire.
El orificio debe ser tal que permita la entrada o salida del aire a una tasa equivalente al flujo de agua generando
un dh de 2 mca. Esto genera un flujo de aire a través del orificio a una velocidad de 35 m/seg.
DOROT control valves - Technical support - Export Department
Tel +972-8-6808899 / 848 Fax +972-8-6808751 - E-mail [email protected] - www.dorot.com