Ventosas y válvulas de purga en aducciones: dónde ubicarlas y cómo dimensionarlas

Una aducción puede estar bien calculada en pérdidas y presiones y aun así entregar menos caudal, reventar en un llenado o aplastarse al vaciarse. Casi siempre el culpable es el aire. Las bolsas atrapadas en puntos altos reducen la sección y generan golpes al desplazarse; al vaciar la tubería o ante una rotura, la falta de admisión de aire produce vacío y, en tuberías delgadas, colapso. Las ventosas y las purgas son baratas frente a esas fallas, pero solo sirven si están en el lugar correcto y con el tamaño correcto.

Tipos y ubicación

El manual AWWA M51 distingue tres funciones: expulsión y admisión de grandes volúmenes (orificio grande, actúa en llenado y vaciado), purga de aire en operación (orificio pequeño, trabaja con la tubería presurizada) y la combinada, que reúne ambas. Se ubican en:

• Todos los puntos altos del perfil, y también donde la línea piezométrica se acerca a la tubería.
• Aumentos de pendiente descendente y disminuciones de pendiente ascendente.
• Tramos largos de pendiente uniforme, a intervalos del orden de 400 a 800 m (M51 sugiere entre un cuarto y media milla).
• Descarga de bombas y junto a válvulas de corte ubicadas en tramos altos.

Las purgas o desagües van en los puntos bajos, con descarga a una cámara o cauce protegido contra erosión.

Caudales de aire y orificio

En el llenado la ventosa debe expulsar un caudal de aire igual al de agua que entra; se recomienda llenar a no más de 0,3 m/s. En el vaciado o rotura debe admitir el caudal que escurre por gravedad con la tubería llena y gradiente igual a la pendiente del tramo, que con Hazen-Williams en SI es:

El paso de aire por el orificio es compresible. Para flujo subsónico ($r = p/p_0 \ge 0{,}528$):

con $\gamma = 1{,}4$ y $R = 287$ J/(kg·K). Los criterios usuales de diferencia de presión son:

En tuberías plásticas delgadas conviene verificar el colapso por vacío con la fórmula de anillo largo $P_{cr} = \dfrac{2E}{1-\nu^2}\,\dfrac{1}{(SDR-1)^3}$.

Ejemplo resuelto

Aducción de diámetro interior 400 mm, $C = 140$, caudal de operación 150 L/s. Tras un punto alto baja un tramo con pendiente 2 %.

• Admisión. $Q_d = 0{,}2785 \times 140 \times 0{,}4^{2{,}63} \times 0{,}02^{0{,}54} = 0{,}424$ m³/s (3,37 m/s). Con $C_d = 0{,}6$ supuesto y $\Delta p = 0{,}35$ bar, el orificio requerido es de 69 mm (la fórmula incompresible daría 62 mm). Se elige una ventosa de 100 mm y se verifica en la curva del fabricante.
• Expulsión. Llenando a 0,3 m/s entran 37,7 L/s; a 0,14 bar basta un orificio de 25 mm. Si se llenara a 1 m/s (126 L/s) se necesitarían 45 mm. Gobierna el vacío.
• Purga de aire. 2 % de 150 L/s son unos 3 L/s de aire a presión de trabajo.
• Desagüe. Un tramo de 1.200 m contiene 151 m³. Una purga de 100 mm con $C_d = 0{,}6$ descarga 93 L/s con 20 m de carga y 66 L/s con 10 m: el vaciado toma del orden de 27 a 38 minutos. Con 150 mm, de 12 a 17 minutos.
• Colapso. Si el tramo fuera de HDPE, con $E \approx 900$ MPa de corta duración y $\nu = 0{,}45$, un SDR 33 colapsa con 69 kPa de vacío (menos que el vacío total de 101 kPa) y un SDR 26 con 144 kPa. Sin admisión de aire, el SDR 33 no resiste.

Errores frecuentes

• Ubicar ventosas solo en los puntos altos del terreno y no donde la piezométrica corta o roza la tubería.
• Instalar ventosas de purga de aire donde se necesita admisión. Un orificio de pocos milímetros no protege contra el vacío.
• Cámaras inundables. Una ventosa sumergida aspira agua contaminada al vaciarse la línea.
• Llenar rápido. El cierre brusco del flotador al llegar el agua genera un golpe de ariete local.
• Válvula de aislamiento cerrada bajo la ventosa después de una mantención: la ventosa existe en el plano, no en la operación.

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