Problemática del aire en las instalaciones

Eduardo Cortina
Consultor técnico en E-ficiencia. Ingeniero industrial y gerente en Cortina Energy

Este artículo nos introduce en la problemática del aire en las instalaciones comenzando por mostrar lo dictado por la normativa RITE en esta materia, exponiendo después los orígenes del aire y sus problemas derivados. Para poder resolver correctamente estos problemas, es vital conocer bien a nuestro enemigo por lo que se explican los tres tipos de aire presente en las instalaciones y su forma de interacción con el agua.

Finalmente se explica la Ley de Henry, responsable de todos estos comportamientos, analizando cómo influye dicha Ley en las instalaciones.

¿Qué dice la normativa RITE respecto al aire?

El apartado ITE 02.16 – Prevención de la corrosión dice textualmente: “… adoptar medidas durante la fase de diseño con el fin de prevenir la corrosión …” y nos pide “… tener en cuenta los criterios del informe técnico UNE 100050”.

En dicho informe UNE 100050:1996 IN – Prevención de la corrosión podemos leer: “Para controlar la corrosión debe eliminarse el oxígeno disuelto, bien con sulfito de sodio, bien mecánicamente o con un desgasificador”. Y más adelante en el mismo informe: “Todas las instalaciones de potencia térmica mayor que 500 kW estarán equipadas con los aparatos necesarios para controlar la corrosión”.

Origen del aire y problemas que ocasiona en las instalaciones

En el llenado inicial de una instalación, el agua ha de desplazar al aire hasta ocupar totalmente el interior de tuberías y equipos. De no contar con buena práctica, tiempo suficiente y purgadores automáticos bien ubicados, éste será el primer origen del aire. En adelante y durante la vida de la instalación, el aire estará presente por diversos motivos:

• Intervenciones de mantenimiento y reparaciones.
• Montaje de nuevos equipos o ampliaciones de la instalación.
• Infiltraciones por difusión a través de juntas, poros, etc.
• Aire contenido en el agua de reposición.
• Aire introducido a través de torres de refrigeración u otros circuitos abiertos.
• Gases generados en reacciones químicas, como la electrólisis.
• Sistema de expansión defectuoso o mal dimensionado.

A la hora de comprender los problemas que causa el aire es importante conocer primero sus propiedades que dan origen a estos problemas, y que son las siguientes:

• El aire es un fluido compresible que tiende a ocupar todo el volumen disponible.
• El oxígeno del aire es un componente necesario en las reacciones de oxidación, además de ser fundamental para el desarrollo de microorganismos.
• La conductividad térmica del aire es del orden de 50 veces menor que el agua.
• El aire es capaz de adoptar tamaños mínimos inapreciables (microburbujas), e incluso
  disolverse en el agua hasta resultar aparentemente inexistente.

… el aire será responsable directo de numerosos problemas, a menudo erróneamente diagnosticados, como son:

Cavitación en bombas, derivando en deterioro de cierres mecánicos (figura 1), ruidos, menor potencia de bombeo (figura 2), caudales insuficientes, menor vida operativa por desgastes prematuros (figura 3) y mayores costes de mantenimiento.

Figura 1. Cavitación de la bomba y concentración del aire entorno al eje.

Figura 2. Reducción de la potencia de bombeo debido a la cavitación.

Figura 3. Formación de la cavitación y desgastes prematuros que origina.

• Ruidos en estrangulaciones de conexiones, válvulas automáticas, etc. que pueden dar origen a malestar de los usuarios y una mala regulación en las válvulas.
• Caídas de rendimiento de hasta un 10% en unidades emisoras debido a bolsas de aire, lo cual puede conllevar un calentamiento/enfriamiento insuficiente de locales.
• Caídas de hasta un 10% en el rendimiento en calderas debido a la necesidad de quemar más combustible para salvar el puente térmico en la pared del hogar provocado por la lámina de aire desprendido del agua sobrecalentada (ver figura 4).

Figura 4. Efecto del aire en el rendimiento de la caldera.

• Desarrollo de microorganismos que pueden dar lugar a infecciones en las personas, como
  es el caso de la legionela.

Pero para poder definir la mejor solución a estos problemas, estudiemos primero con detalle a nuestro enemigo: el aire.

Los tres tipos de aire en instalaciones

Como podemos ver en la figura 5, en toda instalación hidráulica el aire se manifiesta de tres formas distintas:

• Aire libre.
• Aire en forma de microburbujas.
• Aire disuelto.

Figura 5. Los tres tipos de aire en las instalaciones.

1. Aire LIBRE: para que se entienda bien, es el aire que podríamos respirar. Se acumula en las zonas altas de la tubería en huecos debidos a bridas ciegas, conexiones, equipos fuera de servicio, etc. De los tres tipos de aire es el único que puede ser, en parte, extraído por los purgadores automáticos, siempre y cuando éstos estén correctamente ubicados. Es muy nocivo ya que además de corroer la zona colindante, sirve de “surtidor” para el aire que viaja con el agua, que definimos a continuación.
2. Aire en forma de BURBUJAS y MICROBURBUJAS: es el aire que se desplaza con el agua de forma visible por la instalación. Su tamaño depende de la cantidad de aire presente y del régimen turbulento o laminar del agua. Por muy bien ubicados que estén los purgadores automáticos, son incapaces de eliminar este aire ya que se ve arrastrado por la inercia del
   agua, incluso en velocidades inferiores a 0,5 m/s. Es el principal responsable de los problemas ya que se mueve a la misma velocidad que el agua, está presente en toda la instalación, y es capaz de alojarse en las rugosidades más diminutas.
3. Aire DISUELTO: para que se entienda, es el aire que podrían respirar los peces. Aparentemente “inexistente”, no es visible ya que está inmerso en el agua, encerrado a nivel microscópico entre las moléculas de H2O. Su cantidad depende de la presión y temperatura, como veremos a continuación. Prácticamente se puede decir que no es problemático.

¿Cómo interaccionan el aire y el agua?

Como indica la figura 6 supongamos agua en contacto y equilibrio con aire, a una temperatura
(T) y a una presión (P). Veamos qué sucede al modificar estos parámetros:

Figura 6. Interacción entre el aire y el agua.

Aumenta T: la temperatura no es más que un reflejo de la agitación molecular de los cuerpos.

Si aumenta, quiere decir que las moléculas de agua se encuentran más agitadas por lo que dejarán menos espacios libres entre ellas. Al tener menos espacio donde ubicarse, una parte del aire disuelto se desprende del agua y forma microburbujas.
Disminuye T: por el contrario, si baja la temperatura se reduce la agitación de las moléculas de agua por lo que el aire puede ocupar un mayor espacio libre y el agua absorbe aire.

Aumenta P: la presión existente en la superficie libre de agua se transmite por igual (hidrostáticamente) en todo el volumen de agua, sumándose en cada nivel, con la presión debida a la columna de líquido. A nivel molecular el aire se ve “atrapado” entre las moléculas de agua debido a la presión P que actúa sobre ellas. Cuanto mayor sea esta presión, mayor cantidad de aire podrán contener las moléculas en su interior, sin permitir que éste sedesprenda. Por ello, al aumentar P, el agua absorbe aire.
Disminuye P: por el contrario, si baja la presión, básicamente se reduce la fuerza de contención de las moléculas de agua hacia el aire por lo que éste se desprende hasta alcanzar un nuevo valor de equilibrio de aire disuelto.

En resumen, y tal y como enunció Sir William Henry, cuando aumenta la temperatura o disminuye la presión, el agua libera aire creando microburbujas en el flujo. Por el contrario cuando disminuye la temperatura o aumenta la presión, el agua absorbe aire.

Ley física de Henry

En efecto, como vemos en la figura 7, aunque en apariencia 1 m3 de agua siempre será 1 m3 de agua, según la Ley de Henry, en función de la presión absoluta y la temperatura a la que se encuentre, 1 m3 de agua contendrá en equilibrio un volumen determinado de aire disuelto.

Aunque pueda parecer difícil de creer, a 18 ºC y 0 bar relativos (presión atmosférica), 1 m3 de agua contiene 20 l de aire. Si lo calentamos hasta 80 ºC y dejamos transcurrir el tiempo suficiente (minutos), el mismo volumen de agua albergará sólo 5 l de aire… ¿Qué ha pasado con los otros 15 l?. Muy simple, se han ido del agua. Si ahora mantenemos los 80 ºC y subimos la presión hasta 1,2 bar relativos, nuestro m3 de agua vuelve contener 20 l de aire … ¿De dónde habrá tomado los 15 l que había perdido?.

Los tomará de donde pueda, pero podemos estar tan seguros de ello como lo estamos de la Ley de la Gravedad; la Ley de Henry es una ley física.

¿Cómo nos influye la Ley de Henry en las instalaciones?

Supongamos por ejemplo una instalación cuya presión relativa media respecto a la atmosférica sea de 2 bar, con un volumen de agua de 10.000 litros y cuya calefacción se arranque a las 7:00 h llegando una temperatura media de 75 ºC y se apague a las 22:00 h enfriándose de forma natural la instalación hasta una media de 10 ºC.

Si nos fijamos en la Ley de Henry (figura 7) veremos que durante la noche el agua de la instalación alcanza un equilibrio de aire disuelto de 68l aire/m3 agua. Una vez que se arranca la instalación a las 7:00 h, el agua irá desprendiéndose del aire que le sobre en cada uno de los estados intermedios, hasta llegar a un equilibrio de 28 l aire/m3agua a 75ºC.

En el proceso de puesta a régimen de la instalación, el agua habrá por tanto liberado la diferencia, es decir, 40 laire/m3agua, o lo que es lo mismo, habrá puesto 400 litros de aire en circulación dentro de las tuberías, en forma de microburbujas.
Este aire se dedicará durante el día a crear los problemas en la instalación. Al final del día, con el cierre de la calefacción y el consiguiente enfriamiento, el agua volverá a absorber los 400 litros de aire para llegar a su equilibrio a 10 ºC.

Figura 7. Ley de Henry. Influencia en las instalaciones.