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TRANSITORIO EN CONDUCCIÓN DE BOMBEO GENERADO POR PARO DE
EQUIPOS
De todos los posibles transitorios que pueden presentarse en una conducción por
bombeo, el del paro repentino de las bombas en operación es el más desfavorable, el
cual puede deberse al interrumpirse el suministro de energía eléctrica o por falla
mecánica.
Con la suspensión del suministro de energía eléctrica, los equipos de bombeo
rápidamente disminuyen su velocidad y el gasto entregado, lo que ocasiona
depresiones que se propagan por la conducción con una velocidad (a) desde la planta
de bombeo, que al llegar a la parte final de la conducción dichas depresiones se
transforman (se reflejan) y regresan.
En el caso típico de alimentación a un tanque de almacenamiento o regulación desde la
planta de bombeo, la cual cuenta con válvula de no retorno (Check), en el que para
simplificar el análisis se considera de diámetro y velocidad del flujo constante (régimen
permanente) y sin pérdidas de fricción como se muestra a continuación:
Con la suspensión del suministro de energía eléctrica al inicio de la tubería surgen
depresiones que se propagan hacia el tanque:
Al llegar la onda de depresión al tanque, la onda se refleja y la onda reflejada se
superpone con la onda depresión que continua avanzando hacia el tanque:
La onda reflejada tiende a igualar en su recorrido la carga en la tubería con la del
tanque y al llegar a las bombas, si éstas aún están funcionando, debido a que la
velocidad de paro no es instantánea, pues existe una inercia del impulsor que lo
mantiene en movimiento a pesar de cese de energía, por lo que a partir de ese
momento el transitorio puede ser considerado por la superposición de tres ondas:
1. La onda de depresión que todavía surge al inicio de tubería,
debido a la disminución continua del gasto de las bombas.
2. La onda reflejada desde el tanque.
3. La que resulta del reflejo de la onda 2 al inicio de la inicio de la
tubería.
Con la disminución en la velocidad de rotación de las bombas, se reduce también la
carga de presión desarrollada por éstas, cuando la carga de presión al inicio de la
tubería resulta mayor que la carga de las bombas, las válvulas de no retorno se cierran
y la velocidad al principio de la tubería se hace cero. Esta variación en la velocidad se
propaga hasta que en la tubería se establezca una velocidad cero y una presión baja.
La presión baja existente en la conducción genera un flujo desde el tanque que tiene a
restablecer la carga antes de paro de bombas:
Al llegar al principio de la tubería este flujo, se detiene bruscamente por las válvulas de
no retorno que ya se encuentran cerradas, produciéndose una onda de sobrepresión
que se propaga, deteniendo en su recorrido el movimiento del agua.
Al llegar esta onda de sobrepresión al tanque en toda la conducción se tendrá una
carga hidráulica mayor de la que da el tanque, generando un flujo del inicio de tubería
hacia éste:
Este flujo se acompaña de una depresión que se propaga hacia el inicio de la tubería.
Una vez que la depresión llega al inicio de la tubería, se produce una nueva depresión
como una reflexión de un extremo cerrado:
Dado que la imagen anterior es igual a la imagen (b), correspondiente a la suspensión
de energía, a partir de este momento comienza un nuevo ciclo de depresión y
sobrepresión y el transitorio presenta un carácter periódico.
De esta manera se puede concluir lo siguiente:
La máxima sobrepresión se presenta al inicio de la tubería debido a
la detención del flujo inverso por las válvulas de no retorno.
Mientras mayor sea el valor de las depresiones al detenerse las
bombas, mayores serán las sobrepresiones que se producen
después.
Mientras mayor sea el tiempo de paro de las bombas, menores
serán las depresiones y sobrepresiones
DISPOSITIVOS DE CONTROL DE TRANSITORIOS
Cámara de Aire
Es uno de los dispositivos más empleados para el control de transitorios,
particularmente para el caso de protección de instalaciones de bombeo frente al
transitorio originado por la falla de suministro eléctrico. Consiste en un depósito
cerrado unido a la conducción, el cual en su parte superior alberga un volumen de aire
comprimido, tal como se muestra a continuación:
En su arreglo cuenta con una válvula de no retorno y un by-pass de diámetro mucho
menor en la tubería que permite el ingreso de agua de la conducción a la cámara, así
como una válvula de regulación en dicha conexión.
La entrada rápida de un gasto grande a la cámara en los períodos de sobrepresión,
puede provocar presiones muy altas, por lo que resulta conveniente tener pérdidas de
carga mínimas al salir el agua de la cámara y cierto valor de pérdidas al entrar el flujo a
ésta.
La cámara de aire es la solución aplicable para casi todos los casos que se pueden
presentar, al mismo tiempo que es una solución cara.
Si la separación de columna se produce en toda o casi toda la conducción, la Cámara
de Aire es la solución para este caso.
Durante el trabajo normal de la conducción en régimen permanente, el aire en la
cámara está comprimido a una presión igual a la presión del agua dentro de la
conducción, por lo que no existe flujo entre la cámara y la conducción.
Al bajar la presión en la conducción, el volumen de aire dentro de la cámara se
expande y su presión disminuye, generando un flujo desde la cámara hacia la
conducción, para reducir las depresiones del transitorio.
Al subir la presión en la conducción a causa del transitorio, el aire dentro de la cámara
disminuye su volumen y su presión aumenta (el aire se comprime), por lo que se
genera un flujo de la conducción hacia la cámara, aliviando las sobrepresiones de la
conducción.
Mientras mayor sea el volumen de aire tanto más eficaz resulta la cámara para reducir
las depresiones y sobrepresiones, disminuyendo el riesgo de vacío y separación de
columna. Por otro lado, con un volumen insuficiente de aire, la cámara puede provocar
incluso presiones más altas que aquellas que pudieran producirse sin medios de
control alguno.
El método más empleado para reemplazar el aire perdido es a través de un compresor
tal como se aprecia en la imagen anterior.
El tamaño de la tubería de conexión de la Cámara debe ser del mismo orden que la
línea conducción (0.5 a 0.6 veces el diámetro de la línea).
Ejemplo de perfil topográfico en el que es conveniente el uso de una Cámara de Aire
Es un dispositivo de protección que funciona de manera adecuada para el caso de
separación de columna.
Ventajas de una cámara de aire
La cámara de aire es especialmente útil para conducciones cuyo perfil no
permite la instalación de torre de oscilación y de tanque unidireccional.
La independencia de la cámara de aire permite que ésta pueda instalarse cerca
de la planta de bombeo, con lo que se facilita la alimentación del compresor,
reduciendo su costo de mantenimiento.
Desventajas de una cámara de aire
Si bien la cámara de aire reduce la onda de depresión inicial, no la suprime por
completo, por lo que en ocasiones puede ser necesario instalar aguas abajo de
la cámara de aire otros dispositivos de control secundarios, tales como tanques
unidireccionales.
El costo económico de la cámara de aire es alto, debido al mantenimiento que
requiere toda su instalación, incluyendo el compresor necesario patra mantener
el volumen de aire requerido, así como toda la instalación de válvulas de no
retorno y regulación, entre otras.
Tanque Unidireccional
Si debido a las presiones negativas se producen separaciones de columna
concentradas en un punto, el cierre de estas separaciones produce presiones
máximas. El medio típico para dar solución a ese problema es el uso del Tanque
Unidireccional ubicado en el punto de separación de la columna.
Este tipo de dispositivo puede contar con dos variantes:
1. Abierto
2. Cerrado, En México dicho dispositivo no ha sido empleado, sino únicamente en
varias
ciudades europeas
Tanque Unidireccional Abierto
Es un dispositivo que aporta agua a la conducción en los periodos de depresión del
transitorio en puntos alto de la tubería que cuenta con perfiles accidentados, para
de esta manera evitar vacios y separaciones de columna líquida.
Ejemplo de perfil topográfico en el que es conveniente el uso de Tanques
Unidireccionales:
Constructivamente el tanque unidireccional es semejante a una torre de
oscilación, con la diferencia que dicho tanque lleva a una válvula de no retorno
instalada en el entronque de la conexión, impidiendo el flujo desde la conducción
hacia éste, lo cual provoca que el nivel libre del agua en el tanque pueda estar
por debajo de la línea piezométrica en régimen permanente.
En la siguiente imagen se muestra el esquema de funcionamiento de un tanque
unidireccional:
En presencia de presiones en la conducción mayores que el tirante de agua (Ho)
en el tanque, la válvula de no retorno se mantiene cerrada. Para el caso de
presiones por debajo de Ho la válvula se abre y se alimenta la conducción con
agua del tanque, para evitar vacios y separaciones de columna. Cabe
mencionar que se debe prever el llenado continuo y seguro del tanque con agua.
De esta manera el volumen del tanque se determina como la cantidad de agua
necesaria para entregar a la conducción y su altura resulta mucho menor que la
requerida por una torre de oscilación.
Las ventajas que presenta el uso deun tanque unidireccional son las siguientes:
En comparación con la torre de oscilación, no se provoca un flujo invertido de
importancia entre el tanque unidireccional y las bombas.
La cota superior del tanque se encuentra siempre por debajo de la altura
piezométrica en régimen permanente en el sitio en que se instale, por lo que se
permite emplear en perfiles topográficos y de conducción irregulares, que
demandarían el empleo de grandes torres de oscilación para su protección.
Entre las desventajas se encuentran:
El cierre de las válvulas de no retorno en las bombas originará sobrepresiones
en la conducción, superiores a las que se originarían en una torre de oscilación.
La transmisión parcial de ondas de depresión que llegan al tanque, provocan
que deban instalarse otros dispositivos de protección adicionales, tales como
otros tanques unidireccionales, lo cual puede llegar a resultar costoso. Por lo
que se debe comparar el costo de instalación de varios tanques unidireccionales
con el de una única Cámara de Aire.
El tanque requiere de una mantenimiento mecánico periódico adecuado para
asegurar el buen funcionamiento tanto de la válvula de no retorno que impide la
entra de flujo de la conducción hacia el tanque durante el transitorio, así como
de las válvulas de llenado que reponen el volumen de agua aportado por el
tanque durante la depresión del transitorio.
El empleo de éstos es relativamente económico, por lo que siempre se debe revisar la
posibilidad de su uso. Si no es posible, generalmente se usa una cámara de aire.
Torre de Oscilación
Las Torres de Oscilación aseguran la entrada de agua a la conducción al bajar la
presión en ella y reciben el agua que sale de la tubería al subir la presión. En su
extremo superior la torre está abierta por lo que se comunica directamente con la
atmósfera, por lo que el nivel del agua alcanzado en la torre corresponde a la carga
piezométrica de la conducción.
El funcionamiento de la Torre de Oscilación es tanto más efectivo para reducir el efecto
de golpe de ariete, cuanto mayor sea el área de la superficie libre de agua en ella.
Generalmente en sistemas de abastecimiento de agua potable su diámetro es
constante. La parte donde suceden las oscilaciones del nivel del agua posee un
diámetro mayor y se conecta con la conducción por medio de una tubería de diámetro
menor, como se muestra a continuación:
La aplicación de la Torre de Oscilación presenta algunas ventajas notables, pero
también algunas desventajas importantes, ya que con su empleo pueden llegar a
generarse sobrepresiones incluso mayores de las que pueden llegar a generarse sin
torre alguna.
Es un dispositivo de protección que funciona de manera adecuada para el caso de
separación de columna.
La Cámara de Aire ó Torre de Oscilación generalmente no son justificados como
dispositivos antiariete en una conducción de agua potable por gravedad.
Entre las ventajas que presenta la Torre de Oscilación son:
Simplicidad de funcionamiento de este dispositivo, aunado al hecho
de que no requiere mantenimiento mecánico alguno.
No necesita de mecanismo adicional alguno, para llenar y reponer
el volumen de agua aportado durante el transitorio. Únicamente se
debe tener la precaución de dar a la torre una altura suficiente para
que no se desborde por tu paste superior durante el proceso de
arranque de la instalación.
El transitorio generado no se transmite aguas abajo de la Torre si
ésta se diseña adecuadamente, por tal razón el tramo aguas abajo
de la misma queda protegido sin la necesidad de instalar
dispositivos secundarios adicionales.
Las desventajas que presentan las torres de oscilación básicamente son dos:
Derivada de la geometría que debe tener la torre de oscilación, su uso
se limita por su altura necesaria, la cual debe ser superior a la altura
piezométrica del sitio donde se instale, por lo que depende del
desnivel topográfico existente entre el punto de su ubicación y el punto
de la descarga. Además la cota de entronque entre la torre y la
conducción debe ser inferior a la altura piezométrica para caudal nulo,
a fin de evitar que se vacié durante los periodos de tiempo en los que
la instalación no opere.
Al producirse el paro de las bombas, la torre de oscilación mantiene la
altura piezométrica mas o menos constante, por el contrario la altura
piezométrica en el punto inmediatamente aguas abajo de la bomba
desciende en ocasiones con bastante rapidez, por lo que la diferencia
de presiones origina que el flujo se invierta con mayor rapidez incluso
que en el caso de no existir la torre, provocando que se generan
fuertes sobrepresiones al cerrase la válvula de no retorno, llegando a
ser dichas sobrepresiones incluso superiores a las que se generan sin
la presencia de torre.
En la siguiente imagen se distingue un perfil topográfico en el que es conveniente usar
una torre de oscilación:
Válvulas de Alivio o de seguridad
Son dispositivos que se calibran para abrirse al excederse una presión determinada en
la conducción, permitiendo el desalojo o alivio de un gasto, limitando de esta forma la
sobrepresión.
Entre los tipos de válvulas más sencillos se encuentran las de resorte, las cuales
constan de un vástago y un plato que por medio de un resorte mantienen cerrado el
orificio de alivio o evacuación.
Si la fuerza que actúa sobre el plato sobrepasa la fuerza ejercida por el resorte (presión
de apertura [pa]), el plato se levanta y a través del orificio se descarga un cierto gasto al
exterior o a un recipiente, hasta que se reduce la sobrepresión en la conducción,
momento en el cual el resorte permite el cierre de la válvula:
Las válvulas de resorte regularmente se calibran para que abran cuando la presión en
la conducción se incrementa entre un 10 y un 20% por arriba de la presión del régimen
permanente (en condiciones normales de operación).
La siguiente relación permite conocer el caudal en función de la presión presentada en
la conducción, existiendo una relación cuadrática entre el gasto aliviado y la presión:
Donde: Q Gasto aliviado. C Constante, proporcionada por fabricante de la válvula de alivio. p Presión en la línea de conducción.
Al igual que en las válvulas de no retorno se corre el riesgo de generar un nuevo
transitorio en la conducción cuando la válvula se cierra.
Las Válvulas de Alivio se ubican en los puntos más bajos de la conducción, donde se
presentan las presiones más altas.
Para servir como medio de control de transitorios las válvulas deben ser especiales,
que abran rápidamente y que cierren lentamente. Se debe seleccionar aquella válvula
en la que la presión máxima por Golpe de Ariete no sobrepase la presión admisible de
la válvula y su presión de apertura debe ser tal que la válvula no descargue agua en
operación normal.
La ubicación recomendable de las válvulas de alivio es la siguiente:
Para analizar la protección mediante válvulas de alivio, se tiene que disponer de curvas
características de dichas válvulas, las cuales se pueden calibrar para que abran a
cierta presión de apertura (pa).
No es recomendable su uso para el caso de reducir sobrepresiones en la conducción, a
no ser que esté garantizado su rápido accionamiento y su poca inercia.
Válvula anticipadora del Golpe de Ariete.
Son válvulas de Alivio Especiales que se abren al producirse depresiones en la fase
inicial del transitorio, como es el caso de un paro accidental de bombas y permanece
abierta en la fase de sobrepresiones, descargando ciertos gastos, hacia el exterior de
la conducción, que reducen la sobrepresión. En caso de que la reducción de presión
tienda a producir un vacío, por la válvula se permite la entrada de aire a la conducción.
Estas válvulas normalmente se instalan en la planta de bombeo y requieren
mantenimiento.
Son utilizadas únicamente en sistemas en que el transitorio comienza con depresiones,
Si durante todo el transitorio, la presión no llega a bajar hasta el valor al que fue
ajustada para activarse la válvula anticipadora, ésta permanece inactiva.
