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• Christian Arocutipa

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ARIavCAD - Air Valve Sizing and Location Software Joan Diaz B.S.M.E., MBA

Porque son necesarias las Ventosas? •Para descargar el aire durante el llenado de la tuberia •Para admitir aire durante el drenado

•Para admitir aire en separacion de columna (presion negativa) •Para liberar las burbujas de aire cuando el sistema esta presurizado

Porque ARIavCAD? Dimensionamiento y Ubicacion de Ventosas

Tuberias de largas dimensiones y complicada topografia

AWWA Rule of Thumb

A.R.I. Rule of Thumb

DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE AIRE CÁLCULO DEL ORIFICIO CINÉTICO. • EL LLENADO DE TUBERÍAS CON LA EXPULSIÓN DE AIRE • EL VACIADO DE TUBERÍAS CON LA ASPIRACIÓN DE AIRE. CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL LLENADO En este caso, la misión de las ventosas es permitir la salida del volumen de aire que debe ser ocupado por la masa de agua durante el llenado de la tubería. Seleccionar el diámetro de ventosa adecuado para cada caso no se trata de una tarea sencilla Han de tenerse en cuenta algunas consideraciones técnicas, imprescindibles para garantizar que las ventosas van a realizar correctamente su papel

El caudal de aire que sale o entra en la tubería a través del orificio de la válvula ventosa es función de la diferencia de presión que se genera entre el interior de la válvula y la atmósfera. En el caso del llenado de tubería, este diferencial de presión se produce cuando el agua que entra comprime el aire lo suficiente como para darle una velocidad de escape que equilibre el caudal de agua de llenado. La ecuación que determina el caudal de aire que sale a través del orificio de una ventosa es:

 2  P  Qa  Ao  C 0     W 

0,5

 36  10 4

Ao = Área del orificio (m2)

100 mm 0.00785398 m2

Co = Coeficiente del orificio (@ 0,6)

0.6

P = Diferencial de presión a través del orificio (m.c.a.) W = Densidad del aire (1,2 kg/cm3 a 25ºC y 1 atm.) Qa = Caudal de aire (m3/h)

3 1.2 3,793.40 m3/h

Es muy importante limitar el valor del diferencial de presión en la salida del aire a través de la ventosa, ya que puede acarrear problemas adicionales tales como:

Hy d gra raul die ic nt

Se recomienda que el llenado de la tubería se realice de forma controlada mediante la estrangulación del flujo de agua con una válvula manual o automática situada al principio de la tubería (a la salida de la bomba o depósito). Una diferencia de presión muy elevada puede hacer que el aire salga produciendo un ruido excesivo, por lo que normalmente se toma un valor límite de diseño de 3 - 3,5 m.c.a.

Si el orificio de la ventosa es demasiado pequeño (es decir que hay un cierto desequilibrio entre el caudal de agua que introducimos en la tubería vacía y el caudal de aire que el orificio cinético de la ventosa permite expulsar), ésta no será capaz de evacuar el caudal suficiente de aire y por tanto, éste se comprimirá dentro de la conducción originando importantes sobrepresiones. Si el orificio está sobredimensionado, el aire no encontrará resistencia en su salida, saliendo a una velocidad muy alta y sin oponer resistencia al flujo del agua que también avanza a gran velocidad. En este caso, ocurrirá que el agua alcance finalmente el cuerpo de la ventosa a enorme velocidad y genere un golpe de ariete inducido por cierre de ventosa cuya magnitud depende principalmente del diferencial de velocidad del flujo.

DIMENSIONAMIENTO EN LA FASE DE EXPULSIÓN El dimensionamiento de las ventosas para el llenado de tubería deberá realizarse de manera que se permita la salida de aire pero limitando la velocidad del agua a un valor que produzca un golpe de ariete aceptable cuando esta se detenga súbitamente al chocar contra la boya El caudal mínimo de llenado en función del tiempo previsto el llenado de la tubería. El caudal máximo de llenado en función de la máxima sobrepresión generada durante el cierre de la ventosa.

Se trata de una conducción de acero DN1000 y 2706 metros de longitud. Se pretende realizar el llenado en un tiempo máximo de 2 horas y que durante el mismo, el cierre de las ventosas instaladas no genere sobrepresiones mayores a 5 atm.

Dimensionamiento de las ventosas para el llenado de la conducción en función del tiempo de llenado L:

Longitud de la conducción

D:

Diámetro de la conducción

V:

Volúmen de llenado

T:

Tiempo de llenado previsto

Q:

Capacidad requerida de salida de aire durante el llenado (m3/s)

2,706.00 m 1.00 m 2,125.29 m3 120.00 min

0.295 m3/s

2.00 horas 1,062.64 m3/h

Dimensionamiento de las ventosas para el llenado de la conducción en función de la sobrepresión máxima permitida en la conducción ?H max : a:

Máxima variación de presión permitida en el cierre: Celeridad

50.00 mca 1,000.00

A: ?p:

Superficie de la conducción

0.785 m2

Presión de cierre dinámico:

0.30 bar

Q:

Capacidad de aireación de la ventosa:

0.77 Nm3/s

2,773.71 m3/h

En este caso, seleccionamos la curva de la ventosa DN100 (4”). Según dichas curvas, el modelo de ventosa seleccionado en ese DN es capaz de evacuar a un Δp de 3 mca un caudal de aire de 3500 m3/h aproximadamente. Con este dato, se puede volver a calcular el tiempo que se empleará en el llenado, utilizando dicho diámetro. Cálculo del tiempo de llenado utilizando la ventosa seleccionada. L:

Longitud de la conducción

2,706.00 m

D:

Diámetro de la conducción

1.00 m

V:

Volúmen de llenado

Q:

Capacidad requerida de salida de aire durante el llenado (m3/s)

0.972 m3/s

T:

Tiempo de llenado previsto

36.43 min

2,125.29 m3 3,500.00 m3/h 0.61 horas

Cálculo de la sobrepresión generada en el cierre de la ventosa seleccionada

0.972 m3/s

Q:

Capacidad de aireación de la ventosa:

a:

Celeridad

A: ?p:

Superficie de la conducción

0.785 m2

Presión de cierre dinámico:

0.30 bar

?H max:

Máxima variación de presión generada en el cierre:

1,000.00

63.09 mca

3,500.00 m3/h

Como la utilización de la ventosa DN100 genera un golpe durante el cierre del flotador mayor que el permitido, se selecciona un diámetro inferior, en este caso DN80 y se vuelve a realizar el mismo ejercicio. En este nuevo caso, la ventosa DN80 es capaz de evacuar a un Δp de 3 mca un caudal de aire de 2.150 m3/h aproximadamente Cálculo del tiempo de llenado utilizando la ventosa seleccionada. L:

Longitud de la conducción

2,706.00 m

D:

Diámetro de la conducción

1.00 m

V:

Volúmen de llenado

Q:

Capacidad requerida de salida de aire durante el llenado (m3/s)

0.597 m3/s

T:

Tiempo de llenado previsto

59.31 min

2,125.29 m3 2,150.00 m3/h 0.99 horas

Cálculo de la sobrepresión generada en el cierre de la ventosa seleccionada

0.597 m3/s

Q:

Capacidad de aireación de la ventosa:

a:

Celeridad

A: ?p:

Superficie de la conducción

0.785 m2

Presión de cierre dinámico:

0.30 bar

?H max:

Máxima variación de presión generada en el cierre:

1,000.00

38.76 mca

2,150.00 m3/h

Una alternativa para el dimensionamiento, más sencilla y rápida, es calcular el llenado de la tubería a caudales muy bajos, que no superen en ningún caso velocidades de llenado superiores a 0,5 m/s. De esta manera sabemos que estamos del lado de la seguridad y que no se producirán sobrepresiones importantes durante el cierre, ni el aire alcanzará velocidades excesivas a través del orificio cinético. Dimensionamiento de las ventosas para el llenado de la conducción en función de la velocidad de llenado (RECOMENDADA)

Formulación:

  D2 Q (m / s)  V f  ( ) 4 3

Vf:

Velocidad de llenado de la tubería (m/s)

0.50 m/s

D:

Diámetro de la conducción

1.00 m

Q:

Capacidad requerida de salida de aire durante el llenado (m3/s)

0.39 m3/s

1,413.72 m3/h

CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL VACIADO La misión de las ventosas, en este caso, es la de permitir la entrada de aire para el relleno del espacio desalojado por la masa de agua durante el vaciado por gravedad de la conducción, con el fin de evitar la aparición de presiones negativas en el interior de la tubería. Para el dimensionamiento se supondrá que el aire que entra en la tubería, lo hace a través de una sola ventosa, y para evitar posibles golpes de ariete, el caudal de desagüe o vaciado de la tubería debe limitarse mediante la utilización de válvulas de vaciado dispuestas a tal efecto y con el diámetro recomendado. Los desagües se disponen en los puntos bajos relativos de la conducción de impulsión de forma que mediante las correspondientes piezas especiales, se coloca una válvula de compuerta y un tramo de tubería para realizar el desagüe de un tramo de conducción.

También hay que tener en cuenta que la tubería puede vaciarse a través de posibles roturas originadas a lo largo del trazado. En este caso se ha asumido la posibilidad de que esto ocurra debido a roturas parciales, siguiendo como hipótesis de diseño que estas roturas no superarán tamaños del 30% del diámetro del tubo y teniendo en cuenta que la tubería está enterrada y bien compactada.

Por último, en aquellas conducciones que trascurren aéreas durante algunos tramos, hay que tener en cuenta que pueden producirse roturas capaces de vaciar la tubería más rápidamente que si estuvieran enterradas, por lo que se deberá tener en cuenta en qué circunstancias se encuentra, ya que si las ventosas instaladas no son capaces de permitir el ingreso de aire como para impedir que el diferencial de presión baje por debajo de los -3 mca, la tubería podría colapsar o sufrir daños estructurales, en las juntas, etc… También es importante conocer la presión mínima admisible de la tubería, que depende lógicamente del material de la misma, del diámetro, del espesor de la pared, entre otros factores. Dependiendo de este valor, la entrada en la curva de ingreso de aire del catálogo del fabricante, se realizaría con un valor de Δp diferente.

DIMENSIONAMIENTO EN LA FASE DE ADMISIÓN Para la fase de admisión se puede determinar el caudal mínimo de aire a ingresar para dos (2) supuestos fundamentalmente: Evitar las depresiones que puedan producirse durante el vaciado por gravedad a través de los desagües dispuestos a tal efecto. Evitar las depresiones que puedan producirse durante el vaciado por gravedad de la conducción producido por una rotura de la tubería, distinguiendo a su vez sí:

Se trata de una rotura franca, es decir, a sección completa. Se trata de una rotura parcial.

DIMENSIONAMIENTO DE LAS VÁLVULAS DE AIRE PARA EL VACIADO MEDIANTE DESAGUES El dimensionado de las ventosas para el supuesto de vaciado mediante desagües, debe realizarse de tal forma que el orificio permita la entrada suficiente de aire para que no se produzca una depresión muy importante en el interior de la tubería, lo cual podría ocasionar el colapso de la misma. Para este supuesto, se suele utilizar la siguiente expresión (Ecuación del Orificio Lateral) en cada punto de venteo:

En los puntos bajos relativos se han previsto válvulas de desagüe DN250. La estación de bombeo impulsa un caudal en régimen permanente de 5500 m3/h a 50 mca de altura manométrica. Dimensionamiento de las ventosas para el vaciado por gravedad de la tubería a través de un desagüe

D Q(m3 / s)  Cd (2 gh) ( ) 2 2 Cd g AH D Q drainage

Coeficiente de descarga gravedad Diferencia de altura entre el punto más alto y el de drenaje Diámetro de la válvula de drenaje Caudal de aire requerido para proteger frente al vaciado

0.60 9.81 30.00 0.25 0.40

m/s2 m m m3/s

1451.3072

m3/h

DIMENSIONAMIENTO DE LAS VÁLVULAS DE AIRE PARA EL VACIADO POR BURST Hydraulic gradient at normal operation

Q normal Hydra

u lic g

radien

t

on p

ipe R

uptu re

Q Ru ptur e

Dimensionamiento de las ventosas para el vaciado por gravedad de la tubería a través de una rotura

Q (m3 / s)  0,278 CHW  D

2,63

h    0,54  L

?h:

Diferencia de cota entre la ventosa y el punto más bajo

30.00 m

D:

Diámetro del orificio dela rotura = diámetro de la tubería (m)

L:

Distancia real del tramo a proteger (m)

700.00 m

C:

Coeficiente de Hazem Williams (según tabla)

145.00

Q:

Capacidad requerida de ingreso de aire para la rotura (m3/s)

1.00 m

7.36 m3/s

26,485.48

m3/h

Dimensionamiento de las ventosas para el vaciado por gravedad de la tubería a través de una rotura

Q (m3 / s)  0,278 CHW  D

2,63

h    0,54  L

?h:

Diferencia de cota entre la ventosa y el punto más bajo

D:

Diámetro del orificio dela rotura = diámetro de la tubería (m)

L:

Distancia real del tramo a proteger (m)

700.00 m

C:

Coeficiente de Hazem Williams (según tabla)

145.00

Q:

Capacidad requerida de ingreso de aire para la rotura (m3/s)

7.36 m3/s

Porcentaje de rotyura parcial

25%

Capacidad requerida de ingreso de aire para la rotura parcial (m3/s)

1.84 m3/s

Q:

30.00 m 1.00 m

26,485.48

m3/h

6,621.37

m3/h

Analisis posibles con ARIavCAD  Fill Rate  Drainage  Rupture  Water Column Separation  Burst

Fill Rate Analysis Basado en la velocidad de llenado

QAir  Qfilling  AV filling

Drainage & Rupture Analysis

Qdrainage  3.479 Cd D h 1.85 10.7 Lactual Q hf  1.85 4.87 C HW D 2

Lactual  h  Lhorizontal 2

2

0.5 Orifice Equation

h

Water Column Separation Analysis

Q Ingreso = QOperacion

Original Burst Analysis Qburst 

4.87

1.852

1.852

SD C 10.69

Where: Qburst = Required intake capacity for burst (m³/s) S = slope (m/m) D = Diameter (m) C = Hazen-Williams constant

Based on pipe horizontal projection

Q  0.278CHW D

2.63

ARIavCad Burst Analysis Based on hydraulic slope

 h     L actual 

0.54

Stand Alone

AutoCAD

Printed Report

ARIavCAD

SURGE 2014

GRACIAS POR LA ATENCION