Optimización de Sistemas Hidráulicos: Control de Aire y Flujo en Tuberías

Bolsas de Aire en Ductos a Presión

El aire atrapado en los conductos a presión puede migrar a sus puntos altos, donde no hay válvulas de aire o ventosas instaladas, y formar bolsas de aire que pueden quedar estacionarias.

Influencia de las Bolsas de Aire en Sistemas Hidráulicos

La presencia de bolsas de aire atrapadas en conductos a presión puede reducir de forma importante el transporte de agua en este tipo de sistemas.

En acueductos de bombeo o impulsiones, la presencia de aire se puede reflejar en un incremento en el consumo de energía eléctrica y la reducción del caudal.

Pueden incrementar de forma importante las presiones máximas durante un transitorio hidráulico, lo suficiente para causar la falla de la tubería.

¿Cómo se Introduce el Aire en un Ducto a Presión?

1. Sellos defectuosos en juntas y válvulas.
2. Cuando se presenta una presión menor a la atmosférica en la tubería.
3. El agua contiene aproximadamente un 2% de aire disuelto. Si la presión baja o la temperatura del agua aumenta, el aire escapa de la solución y forma pequeñas bolsas de aire.
4. Las bombas pueden introducir entre un 5% y un 10% de aire por volumen de agua mediante los vórtices que se forman en su succión.

Ventajas y Desventajas de las Bolsas de Aire

• Contra: Las bolsas de aire pequeñas pueden incrementar considerablemente las presiones transitorias, lo suficiente para causar la rotura de tuberías.
• Pro: La formación de grandes bolsas de aire en los acueductos puede ayudar a reducir el valor de las sobrepresiones causadas por la ocurrencia de transitorios hidráulicos.

Tipos de Conducción de Agua

Línea de Conducción por Gravedad o por Diferencia de Elevación

Una conducción por gravedad se presenta cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es mayor a la altura piezométrica requerida o existente en el punto de entrega del agua. El transporte del fluido se logra por la diferencia de energías disponible.

Situaciones en Tuberías Sujetas a Presión por Gravedad:

1. Donde la diferencia de alturas apenas es suficiente para proporcionar una presión adecuada para el funcionamiento, el problema consiste en conservar la energía usando tubos de diámetros grandes para tener mínimas pérdidas de carga por fricción y evitar bombeo de auxilio.
2. Cuando la diferencia de altura entre la fuente de abastecimiento y la ubicación del sitio a abastecer es tal que la presión proporcionada es mayor a la requerida, el problema radica en reducir las ganancias de presión, lo cual se logra seleccionando tuberías de diámetros más pequeños.

Conducción por Bombeo

Es necesaria cuando se requiere adicionar energía para obtener el gasto de diseño. Se usa generalmente cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es menor a la altura piezométrica requerida en el punto de entrega. El equipo de bombeo proporciona la energía necesaria para lograr el transporte del agua.

Factores que Afectan el Flujo en Ductos a Presión

Resistencia al Flujo en Ductos a Presión

En estructuras largas, la pérdida por fricción es muy importante, debido a la fricción que hay entre el líquido y la pared de la tubería. Tales pérdidas de energía traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo.

Rugosidad

Cuando la superficie de la pared de un conducto se examina, se observa que está formada por irregularidades o asperezas de diferentes alturas y con distribución irregular o aleatoria.

La rugosidad puede expresarse como la altura media ε de las asperezas (Rugosidad absoluta).

Es de importancia mencionar la relación que la rugosidad absoluta guarda con el diámetro del ducto, esto es ε/D, a lo que se conoce como rugosidad relativa.

La condición de la superficie del tubo depende de:

• Material del ducto, producto de elaboración.

Conductos Sencillos

Consiste en un ducto único, alimentado en el extremo aguas arriba por un recipiente o una bomba, y con descarga libre o a otro recipiente.

Pérdidas por Válvulas

Los coeficientes de pérdidas por válvulas varían de acuerdo con el tipo y sus posiciones. Deben ser proporcionados por los fabricantes. A falta de estos datos, se pueden usar valores de referencia.

Pendiente de Fricción

Es la relación entre la pérdida de energía y la longitud del tubo en que esta ocurre.