Diseño hidráulico y selección de tuberías para riego por goteo: emisores y criterios de uniformidad

Diseño hidráulico y objetivo

El diseño hidráulico comprende todos los cálculos de los diferentes componentes de la instalación para adaptarlas a la presión (P) y el caudal (Q) requerido. El objetivo es entregar a cada emisor la presión nominal establecida. Además, es necesario establecer los demás accesorios: diámetros y largos de tubería, filtros, válvulas, requerimientos de equipo de fertirrigación y equipo de bombeo.

Materiales de las tuberías

Los materiales más utilizados son policloruro de vinilo (PVC) y polietileno (PE). En grandes instalaciones, Rocalit (red principal) puede ser más barato para diámetros grandes (150–200 mm), aunque las conexiones son más laboriosas. Para tramos muy cortos se utiliza hierro galvanizado, pero se corroe con facilidad.

PVC: es rígido y, en diámetros > 50 mm, puede ser más barato que el PE. La norma indica que las tuberías celestes son apropiadas para conducir agua a baja presión; sin embargo, son sensibles a los rayos solares, por lo que requieren protección con pinturas o enterrarse.

PE: es flexible y más económico para diámetros < 50 mm; es resistente a los rayos solares y se utiliza en emisores y en diámetros superiores cuando corresponda.

Elementos de la red

• Matriz: mayor diámetro en la red que conduce el agua hasta la derivación de los diferentes sectores (PVC o Rocalit bajo tierra).
• Submatrices: menor diámetro que la matriz, encargadas de llevar el agua desde esta al sector correspondiente.
• Portalateral: alimenta las laterales PVC enterradas; su diámetro cambia a través del largo; en hortalizas puede ir en la superficie.
• Laterales: donde se insertan los emisores; suelen ser tuberías PE de 12–16 mm en la superficie.

Criterio de riego y uniformidad

La relación entre la presión y el caudal que entrega cada emisor se representa por la curva de descarga característica del emisor. Se estableció un criterio para lograr una uniformidad de caudales (Qs) del 90% dentro de un sector; en la práctica se recomienda trabajar con una uniformidad > 80%.

La distribución de presión es mayor al inicio del sector y disminuye a lo largo del portalateral. En la planificación se permite una diferencia de hasta el 20% de presión dentro del sector para garantizar la máxima pérdida por fricción admisible del sector.

Principio de Bernoulli y ecuaciones de pérdidas

Principio de Bernoulli: describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente, donde la energía total de un fluido en cualquier punto consta de tres componentes:

• Energía cinética: asociada a la velocidad del fluido.
• Energía potencial gravitatoria: asociada a la cota o altitud.
• Energía de presión: debida a la presión que posee el fluido.

Ecuación de Darcy–Weisbach

La ecuación de Darcy–Weisbach es más general para determinar las pérdidas de presión por fricción. Darcy experimentó con diámetros desde 0,0122 a 0,5 m con materiales como vidrio, hierro, plomo, hierro fundido y latón, utilizando piezómetros y constatando las pérdidas en la altura, denominadas pérdidas de carga.

Reynolds y régimen de flujo

Número de Reynolds: cuando los caudales (Q) dentro de la tubería cerrada son pequeños, el agua se mueve con flujo laminar; al aumentar Q y la velocidad del flujo, se pasa a flujo turbulento. La ecuación de Darcy–Weisbach se aplica para flujo predominantemente turbulento.

Ecuación de Hazen–Williams

La ecuación de Hazen–Williams se usa a nivel práctico en muchos países para tuberías de agua y suele aplicarse especialmente en tuberías de diámetros superiores a 50 mm cuando se quiere una fórmula empírica fácil de usar. Una forma común de la fórmula es:

hf = 1,131 × 10⁹ · L · (Q / C)^1,853 · D^-4,87

Permite establecer diferencias debidas al material en tuberías; para diámetros > 50 mm no suele haber diferencias significativas entre fórmulas. El CNR considera ambas válidas.

Corrección por salidas múltiples

Las laterales y portalaterales poseen múltiples salidas; al reducirse el Q en cada tramo disminuye la velocidad de flujo y, con ello, las pérdidas por fricción. El diseño comienza con la definición de los sectores de riego, luego con la dirección de las hileras y laterales. Se permite una diferencia de hasta el 20% de presión dentro del sector para lograr la máxima pérdida por fricción admisible del sector.

Diferencias de altura

Cuando existen diferencias de altura (Δh) se deben ajustar las pérdidas admisibles. Si la entrada está más alta en comparación con el último emisor (Δh positivo), hay más presión disponible para gastar en fricción. Si la entrada está más baja, esa diferencia se resta de la presión disponible. Cuando la diferencia de altura es muy grande, no es posible realizar un riego contra la pendiente; en estos casos se debe regar desde la parte alta o emplear emisores autocompensantes.

Optimizaciones económicas: se puede disminuir el diámetro de las tuberías hacia el final del portalateral para ahorrar costos, siempre que se mantengan las condiciones de presión y uniformidad requeridas.

Emisores especiales

Existen distintos tipos de emisores diseñados para condiciones particulares:

• Autocompensantes: diseñados para mantener un caudal (Q) prácticamente constante en un rango amplio de presiones (por ejemplo, 10–40 mca). Son útiles en sectores ondulados o de formas irregulares donde los emisores tradicionales no funcionan adecuadamente.
• Autolimpiantes: pueden o no estar en la posición de limpieza; cuando sí lo están, se autolimpian durante el breve tiempo que el sistema tarda en alcanzar la presión de régimen. Fueron desarrollados para sistemas que abastecen agua de baja calidad (con material en suspensión).
• Antidrenantes: requieren una presión para entregar el caudal nominal; normalmente su rango de apertura es de 2–6 mca. Se emplean en plantaciones en laderas para evitar que el sistema siga drenándose; el sistema permanece lleno y se adapta bien al riego por pulso.

Nota: Los conceptos y criterios presentados deben aplicarse considerando las condiciones específicas del proyecto (topografía, calidad del agua, cultivo y requerimientos de uniformidad), y en concordancia con las normas y recomendaciones técnicas vigentes.