La presión residual de agua es la presión que se mide en un punto de una instalación cuando el agua está circulando y existe flujo en otro punto del sistema. En una red de tuberías, esta presión refleja las condiciones reales de funcionamiento, porque tiene en cuenta las pérdidas producidas por el rozamiento y por el paso del agua.
La presión residual es la que se obtiene al realizar los cálculos hidráulicos de una instalación y la que se mide, por ejemplo, en el hidrante de prueba durante los ensayos destinados a determinar una curva de disponibilidad. Tanto el exceso como la falta de presión pueden provocar averías, impedir el funcionamiento correcto de la instalación o terminar dañando los aparatos conectados a ella.
Qué es la presión del agua
La presión se define como la fuerza aplicada por unidad de superficie. Conocer la presión permite comprobar si un material va a resistir, dimensionar instalaciones y verificar que determinados aparatos, como lavavajillas, detectores de caudal de calentadores o calderas y dosificadores tipo Venturi, van a poder funcionar.
La presión se puede medir en diferentes unidades: Pascales (Pa), que es la empleada en el sistema internacional; atmósferas (Atm); metros de columna de agua (mCa); y kilogramo por centímetro cuadrado (Kg/Cm2).
Unidades y equivalencias de presión
| Medida | Pa | Bar | Atm | mmCa | Kg/Cm2 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pa | 1 | 10-5 | 0,987*10-5 | 0,102 | 1,02*10-5 |
| Bar | 105 | 1 | 0,987 | 10200 | 1,02 |
| Atm | 1,013*105 | 1,013 | 1 | 10330 | 1,033 |
| mmCA | 9,81 | 9,81*10-5 | 9,68*10-5 | 1 | 10-4 |
| Kg/Cm | 98100 | 0,981 | 0,968 | 10000 | 1 |
Las conversiones más importantes de esta tabla de presiones son: 1bar=105Pa, 1bar≈1Atm, 1bar≈10mca y 1bar≈1 Kg/Cm2.
Presión residual: significado en una instalación
La presión residual es la que se mide en algún punto del sistema cuando hay flujo de agua en otro punto del sistema. Esta es la presión que se obtiene cuando se realizan los cálculos hidráulicos de un sistema de extinción.
También es la presión que se mide en el “hidrante de prueba” cuando se realizan las pruebas para determinar una curva de disponibilidad. Cuando una bomba funciona a válvula cerrada, el manómetro de la descarga indica presión estática. Cuando se abre una válvula y hay flujo de agua en la red, el manómetro de la descarga indica presión residual.
Por tanto, la presión residual no representa simplemente la presión disponible con la instalación en reposo, sino la presión que permanece mientras el agua circula y abastece un punto de consumo o de descarga.
Diferencia entre presión estática y presión residual
La presión estática es aquella presión que se da en un punto cuando no se mueve el fluido y, por tanto, muestra que no hay pérdidas de rozamiento. La presión dinámica, que siempre es menor que la estática, aparece cuando el fluido se mueve.
En el ámbito de los sistemas de extinción de incendios, la presión estática es la que se mide en algún punto del sistema cuando no hay flujo de agua; es decir, mientras el sistema está en condición de reposo. En un tanque de almacenamiento, la columna de agua ejerce una presión en el fondo, y al medirla se obtiene la presión estática.
En una red de tuberías, la presión estática en cualquier punto se debe a la diferencia de altura entre puntos y al aporte de presión que realiza la bomba. La presión residual, en cambio, se obtiene cuando se abre una válvula y el agua circula por la red.
| Tipo de presión | Condición de la instalación | Qué representa |
|---|---|---|
| Presión estática | No hay flujo de agua | Presión disponible en reposo, sin pérdidas de rozamiento |
| Presión residual | Hay flujo de agua en otro punto | Presión que permanece durante el funcionamiento real de la red |
| Presión dinámica | El fluido está circulando | Presión asociada al movimiento del fluido |
Presión dinámica y presión total
La presión dinámica es un concepto de la mecánica de fluidos que representa la presión ejercida por un fluido debido a su movimiento o velocidad. A diferencia de la presión estática, que tiene en cuenta la presión en reposo, la presión dinámica considera el impacto del movimiento del fluido.
Cuando un fluido fluye o se mueve, posee energía cinética asociada a su velocidad. Esta energía cinética se convierte en presión dinámica, que representa la presión adicional que ejerce el fluido debido a su movimiento.
La presión dinámica puede entenderse como el aumento de presión que se produciría si el fluido se detuviera de forma abrupta. Está influenciada por la densidad del fluido y el cuadrado de su velocidad.
La presión dinámica es la empleada para el dimensionado de las tuberías. Es la que además se emplea normalmente para evaluar el estado de la red en calefacción y fontanería.
Fórmula de la presión dinámica
Para calcular la presión dinámica, es necesario conocer la densidad y la velocidad del fluido. Esta es la fórmula para calcular la presión dinámica:
Presión dinámica (q) = 0,5 * Densidad (ρ) * Velocidad2 (v2)
- La presión dinámica (q) es la presión debida al movimiento del fluido.
- La densidad (ρ) es la densidad del fluido.
- La velocidad (v) es la velocidad del fluido.
Ejemplo: Densidad (ρ) = 1,2 kg/m³ y velocidad (v) = 10 m/s. Usando la fórmula: Presión dinámica (q) = 0,5 * 1,2 * (10²), presión dinámica (q) = 0,5 * 1,2 * 100 y presión dinámica (q) = 60 Pa. Por lo tanto, la presión dinámica en este ejemplo es 60 Pascal (Pa).
La presión total, también conocida como presión de estancamiento o presión de Pitot, es la suma de la presión estática y la presión dinámica de un flujo de fluido. Se denomina presión “total” porque tiene en cuenta tanto la presión en reposo como la presión debida al movimiento del fluido.
La presión total explica el hecho de que, cuando un fluido está en movimiento, su energía cinética contribuye a la presión general. Además de la presión estática, que surge de las colisiones moleculares dentro del fluido, la presión dinámica se suma a la presión total.
En el campo de la mecánica de fluidos, la presión estática es la presión que ejerce un fluido cuando está en reposo; la presión dinámica es la presión que ejerce un fluido cuando está en movimiento; y la presión total, también conocida como presión de estancamiento, es la suma de la presión estática y la presión dinámica.
Presión residual y pérdidas de carga
La presión residual siempre está condicionada por el funcionamiento de la red. Al circular el agua, aparecen pérdidas de rozamiento en las tuberías y pérdidas localizadas en válvulas, accesorios, cambios de dirección y otros elementos.
Por esta razón, la presión dinámica es siempre menor que la estática y la presión residual disponible durante el consumo puede ser inferior a la presión que muestra el manómetro cuando todas las válvulas están cerradas.
Esta diferencia explica por qué un aparato puede no funcionar aunque el manómetro marque presión. El valor observado en reposo no garantiza que exista presión suficiente cuando se abre un punto de consumo y el agua comienza a circular.
Presión residual en redes de agua fría y caliente
Las instalaciones de fontanería tienen en vigor el CTE, Código Técnico de la Edificación, que indica las presiones mínimas necesarias para dimensionar la red y el caudal que tiene que llegar en función del aparato.
El CTE, conjunto principal de normativas que regulan la construcción de edificios en España desde 2006, determina que la red hay que dimensionarla en función de la presión.
El Código Técnico de la Edificación CTE, en su parte HS4 salubridad, fija obligatoriamente las presiones de la red. La presión mínima en los puntos de consumo será como mínimo de 1 bar y de 1,5 bar en la entrada a los calentadores. La presión máxima en los puntos de consumo no podrá superar los 5 bar.
| Ubicación o condición | Presión indicada |
|---|---|
| Presión mínima en los puntos de consumo | 1 bar |
| Presión mínima en la entrada a los calentadores | 1,5 bar |
| Presión máxima en los puntos de consumo | 5 bar |
Estos valores deben analizarse durante el funcionamiento de la instalación, porque la presión disponible en un punto de consumo depende del caudal, de la altura, del diámetro de las tuberías y de las pérdidas producidas durante la circulación.
Presión de diseño, presión nominal y presión de prueba
Para evaluar la resistencia de las instalaciones hay que distinguir tres presiones: la presión nominal de los materiales o de la instalación, la presión de prueba de la instalación y la presión de diseño.
Presión nominal
La presión nominal de los materiales o de la instalación es la máxima presión que va a poder resistir un material en modo continuo. En el mundo del gas, las presiones nominales de los elementos de instalación tienen su equivalente en la Máxima Presión de Operación (MOP).
Todos los elementos que se conecten a la red deben de tener una Presión Nominal PN superior a la presión de diseño.
Presión de diseño
La presión de diseño es la presión máxima a la que se va a ver sometida la instalación durante su funcionamiento. Es la presión que da la red de suministro, el grupo de presión o la presión a la salida de la bomba circuladora en el caso de la calefacción.
- Como dato de partida para dimensionar la instalación, mediante el cálculo de los diámetros nominales DN.
- Para seleccionar los elementos a instalar, todos los elementos que se conecten a la red deben de tener una Presión Nominal PN superior a la presión de diseño.
- Para definir la presión de prueba de estanqueidad de la instalación.
Presión de prueba
La presión de prueba de la instalación es la presión a la que se someten los materiales solo en el momento de las pruebas de verificación de la estanqueidad.
Normalmente, en los materiales de fontanería, la presión de prueba es 1,5 veces la presión nominal. Así, por ejemplo, una Tajo de presión nominal (PN) 50 bar puede trabajar en modo continuo a esa presión garantizando la estanqueidad y la maniobra.
Mientras que para otros elementos en los que se requiere menos seguridad, los elementos tienen una presión nominal menor, como es el caso de los componentes para riego o jardinería que diseñan normalmente con una Presión Nominal de 16 bar (PN16).
Ensayos de presión y estanqueidad
Realizar pruebas periódicas en una instalación ayuda a reconocer posibles fugas. Una prueba de presión se utiliza para determinar si hay fugas en un sistema que contiene líquidos o gases a presión.
En una prueba de presión, se bombea un líquido o gas a presión en el sistema y se mide la presión. Si la presión se mantiene constante, no hay fugas en el sistema. Si la presión disminuye, se debe buscar y reparar la fuga.
Las siguientes normas UNE sugieren cómo probar las instalaciones, si bien, como se ha dicho anteriormente, se prueba a 1,5 veces la presión de diseño.
En la UNE 100151:2004 “Climatización. Ensayos de estanqueidad de redes de tuberías” se describen las pruebas a realizar en las instalaciones de clima. Para los circuitos cerrados recomienda multiplicar por 2 la presión de diseño y para los circuitos cerrados por 1,5 la presión de diseño, como hemos visto anteriormente para determinar la presión de prueba.
Por otro lado, hay una norma específica para los plásticos, la UNE-ENV 12108:2002 “Sistemas de canalización en materiales plásticos. Práctica recomendada para la instalación en el interior de la estructura de los edificios de sistemas de canalización a presión de agua caliente y fría destinada al consumo humano.”
En las redes de material plástico, la presión puede disminuir al ceder la tubería con la presión de prueba, disminuyendo levemente la presión que indica el manómetro.
Además de probar la instalación a 1,5 veces su presión de diseño, sin confundir con la presión nominal, en el Ensayo A se indica que se baje la presión a 0,5 veces la presión nominal, la mitad, dado que algunas uniones presentan fugas con presiones bajas.
Procedimiento básico de una prueba
Lo más común a la hora de probar la estanqueidad es probar la instalación por tramos, para localizar la posible fuga más rápidamente. Antes de realizar la prueba se purgará el aire de la instalación.
Siempre que se realicen pruebas de presión es necesario desconectar los aparatos de la instalación, para que no se rompan por el exceso de presión. Lo ideal es probar la red bloqueando todas las tomas con tapones.
Estos criterios no son aplicables para las instalaciones de gas, en las que se aplicará la norma 60670.
Presión hidrostática en instalaciones de agua
La presión hidrostática es la presión que ejerce un líquido en reposo sobre cualquier objeto sumergido en él. Esta presión aumenta proporcionalmente a la profundidad a la que se encuentra el objeto.
La fórmula para calcular la presión hidrostática es P = ρgh, donde P es la presión hidrostática, ρ es la densidad del líquido, g es la aceleración debido a la gravedad y h es la profundidad del objeto.
La presión hidrostática es causada por la acción de la gravedad en los fluidos, especialmente en los líquidos, que crea una fuerza que empuja el fluido hacia abajo. A medida que el fluido se mueve hacia abajo, aumenta su presión.
La presión hidrostática también se ve influenciada por la densidad del fluido, la altura del fluido por encima del objeto sumergido y la presión atmosférica, que se ejerce sobre la superficie del fluido.
Características de la presión hidrostática
- La presión hidrostática aumenta con la profundidad.
- La presión hidrostática depende de la densidad del fluido.
- La presión hidrostática se mide en unidades de presión, como el pascal (Pa) o el bar (bar).
- La fórmula de la presión hidrostática es P = ρgh.
- El principio de Arquímedes es importante en la presión hidrostática.
- La presión atmosférica influye en la presión hidrostática.
En una piscina que tiene una profundidad de 2 metros y está llena de agua, si la densidad del agua es de 1000 kg/m³ y la aceleración debido a la gravedad es de 9.8 m/s², la presión hidrostática en el fondo de la piscina sería P = 1000 kg/m³ x 9.8 m/s² x 2 m = 19,600 Pa.
En un submarino que se sumerge a una profundidad de 100 metros en el océano, si la densidad del agua de mar es de 1025 kg/m³ y la aceleración debido a la gravedad sigue siendo de 9.8 m/s², la presión hidrostática a esa profundidad sería P = 1025 kg/m³ x 9.8 m/s² x 100 m = 1,002,500 Pa.
Presión absoluta y presión relativa
La presión absoluta es la presión relativa al vacío absoluto. La presión relativa o manométrica, como su nombre indica, es la que da el manómetro.
El manómetro no considera la presión atmosférica a la que estamos sometidos; cuando no está conectado, marca cero. La presión relativa no cuenta la presión atmosférica.
La presión absoluta cuenta desde presión cero, vacío, y considera por tanto la presión atmosférica. La presión absoluta es el resultado de sumar la presión relativa o manométrica y la presión atmosférica.
Este concepto es especialmente importante en instalaciones de gas y aire comprimido, así como cuando se trabaja con fluidos compresibles y se aplica la práctica Ley de los gases perfectos, en la que se emplea la presión absoluta.
Medición de la presión residual
La medición de la presión es un proceso esencial en el tratamiento industrial del agua y las aguas residuales, y se utiliza para supervisar y controlar las presiones de los sistemas en una amplia variedad de procesos.
La medición de la presión se refiere a la medición de la presión física de un fluido, normalmente un gas o un líquido, en un sistema cerrado. La presión medida suele indicarse en bares o pascales (Pa).
La medición de la presión residual puede realizarse mediante un manómetro colocado en el punto de control mientras existe flujo. También puede realizarse mediante una prueba de presión, en la que se observa la evolución de la presión del sistema.
Presión diferencial
Las mediciones de presión diferencial se utilizan para detectar diferencias de presión en los medios filtrantes, las membranas y las tuberías que puedan indicar obstrucción o ensuciamiento.
El grado de contaminación de un filtro o membrana puede determinarse midiendo la presión diferencial. La presión diferencial indica el grado de contaminación del medio filtrante y cuándo es necesario cambiarlo o limpiarlo.
En procesos de filtración como la ultrafiltración y la ósmosis inversa, la medición de la presión es crucial para comprobar la integridad de los filtros y detectar depósitos o incrustaciones en las membranas. Un aumento de la presión por encima del valor normal puede indicar una obstrucción que requiera la limpieza o sustitución de los filtros.
Sensores de presión
Un sensor de presión estática es un dispositivo diseñado para medir la presión estática ejercida por un fluido cuando está en reposo o en movimiento a una velocidad constante. Se utiliza para medir con precisión la presión en un punto específico de un sistema de fluidos donde no hay movimiento de fluido.
Un sensor de presión dinámica es un dispositivo que se utiliza para medir la presión ejercida por un fluido debido a su movimiento o velocidad. Está diseñado específicamente para capturar y cuantificar con precisión la presión dinámica en un flujo de fluido.
Los sensores de presión dinámicos utilizan diversas tecnologías de detección para convertir la presión en una señal eléctrica que se puede medir y analizar. Algunos tipos comunes de sensores de presión dinámicos incluyen sensores piezoeléctricos, sensores piezorresistivos y sensores capacitivos.
Tipos de sensores utilizados en sistemas de agua
- Sensores de presión piezoeléctricos: utilizan cristales piezoeléctricos que generan cargas eléctricas cuando cambia la presión y están especialmente indicados para altas presiones y mediciones de presión dinámica.
- Sensores de presión capacitivos: miden la presión mediante un cambio de capacitancia entre dos placas que se aproximan bajo la influencia de la presión.
- Sensores de presión de resistencia: funcionan sobre la base de una galga extensométrica que cambia su resistencia bajo presión.
- Sensores de presión hidrostática: miden la presión en columnas de líquido y son ideales para controlar el nivel en contenedores, tanques de almacenamiento y depósitos de agua abiertos.
La selección de un sensor de presión adecuado depende de las propiedades químicas del medio y de las condiciones de funcionamiento del sistema. También es importante tener en cuenta el rango de presión, la precisión, el tiempo de respuesta, las condiciones ambientales y la compatibilidad con los sistemas de adquisición de datos.
Aplicaciones de la medición de presión en el agua
La medición precisa de la presión en las plantas de tratamiento de agua y aguas residuales es crucial para garantizar el funcionamiento seguro de bombas, tuberías, sistemas de membranas y otros componentes de la planta.
En el tratamiento del agua, la presión es un indicador del estado de los filtros y las membranas, así como de la eficacia de las bombas y los sistemas de tuberías. Unas condiciones de presión incorrectas pueden perjudicar considerablemente el funcionamiento, provocar daños y repercutir negativamente en la eficacia de los procesos de limpieza.
Control de bombas y tuberías
La medición de la presión ayuda a controlar y estabilizar la presión en los sistemas de bombeo. Una presión excesiva o insuficiente en las bombas puede provocar daños, por lo que una supervisión constante ayuda a optimizar el rendimiento de las bombas.
Una presión constante garantiza el suministro eficaz de agua o aguas residuales a los componentes del sistema. Las fluctuaciones de presión pueden dañar las bombas y las tuberías, por lo que la medición de la presión permite un control continuo para responder a tiempo a los cambios y minimizar el desgaste mecánico.
Control de niveles
Los sensores de presión hidrostática permiten un control preciso del nivel en depósitos y contenedores de almacenamiento y ofrecen una solución fiable para el control del nivel en el tratamiento de aguas.
Tratamiento de aguas residuales
En el tratamiento de aguas residuales, las mediciones de presión en bombas de deshidratación de lodos y espesadores son necesarias para controlar la presión de los lodos y evitar que tuberías y bombas se atasquen o sobrecarguen.
Dosificación y neutralización
Las mediciones de presión contribuyen a la manipulación segura de los productos químicos en los sistemas de neutralización mediante el control de la presión en las líneas de dosificación.
En los sistemas que funcionan bajo presión, como cuando se alimentan ácidos y álcalis para ajustar el pH, una presión constante puede ayudar a controlar mejor el suministro de productos químicos.
Mantenimiento y seguridad de la medición
Los sensores y transmisores de presión deben calibrarse y mantenerse periódicamente para garantizar la precisión de las mediciones. Los depósitos o las influencias químicas pueden mermar el rendimiento de los sensores, por lo que es necesario realizar inspecciones periódicas.
Dependiendo de las propiedades químicas del agua o de las aguas residuales, se requieren materiales especiales para los sensores de presión. En medios agresivos deben utilizarse materiales resistentes a la corrosión para maximizar la vida útil de los sensores.
En determinadas aplicaciones, especialmente en la filtración a alta presión, puede producirse una sobrepresión que puede dañar los sensores. Los mecanismos de protección contra la sobrepresión son necesarios para proteger los sensores y todo el sistema.
La medición precisa de la presión mejora el control y la eficacia de los procesos de tratamiento del agua, ya que las desviaciones pueden reconocerse en una fase temprana y rectificarse rápidamente. Esto reduce el riesgo de paradas del sistema.
La supervisión constante de las condiciones de presión garantiza un control eficaz del proceso y reduce la necesidad de costosas tareas de mantenimiento y reparación, lo que disminuye los costes de explotación a largo plazo.
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