Cómo funciona un sifón: límites de presión atmosférica, uso en fontanería y ejemplos de tuberías de impulsión de bombas

¿Cómo funciona un sifón? Presión atmosférica, gravedad y límites de vapor en la cresta

Un sifón (también escrito syphon) es un tubo curvado o conducto cerrado que traslada líquido de un recipiente, por encima de una cresta intermedia, a un nivel más bajo sin aporte continuo de energía de bombeo externa, impulsado por la gravedad que tira de la columna descendente más alta, mientras que la presión atmosférica y la cohesión molecular evitan la cavitación por vapor en la cima.

En el uso técnico y lexicográfico habitual del inglés, la palabra siphon funciona como sustantivo y verbo, mientras que syphon es una variante ortográfica aceptada en el Reino Unido y la Commonwealth. Tanto en un diccionario técnico como en un manual de tuberías, la definición de siphon y el significado práctico de sifón se refieren a un tubo en forma de U invertida, con ramas de distinta longitud, por el que el líquido asciende hasta una cresta y después baja hacia una salida situada por debajo del nivel de suministro. Aunque un tesauro general incluye drenaje, conducto o pipeta entre los sinónimos habituales de siphon, y llenar o bloquear al hablar de sus antónimos en la transferencia de fluidos, los ingenieros hidráulicos determinan estrictamente el significado de sifón mediante la conservación de la energía de Bernoulli y los límites de presión de vapor bifásica.

Considere un sifón que traslada agua desde un depósito elevado (cota de la superficie libre z₁), pasa por la cresta (z_c) y llega a una salida de impulsión (z₂) abierta al aire exterior. Al aplicar la ecuación de Bernoulli en régimen estacionario entre la superficie superior y la salida de impulsión, se obtiene una velocidad motriz proporcional a la raíz cuadrada del desnivel neto entre superficies (ΔH = z₁ – z₂), menos las pérdidas por fricción en la tubería y las pérdidas singulares (h_f):

Fórmula de la velocidad motriz: v = √[ 2g × (z₁ – z₂ – h_f,1→2) / (1 + K_exit) ]

A medida que el líquido asciende desde z₁ hasta la cresta z_c, la presión absoluta estática dentro del tubo cae por debajo de la presión atmosférica exterior (P_atm = 101,325 kPa al nivel del mar), según la deducción de mecánica de fluidos de Purdue University (Purdue ME30900 Bernoulli Siphon Analysis):

Fórmula de la presión absoluta en la cresta: P_crest = P_atm – ρg(z_c – z₁) – ρgh_f,1→c – 0.5ρv²

Cuando P_crest desciende hasta la presión de vapor de saturación del líquido (P_v = 2,34 kPa para el agua a 20 °C), el agua hierve en frío en el punto más alto. Para agua a 20 °C y al nivel del mar (presión atmosférica de 101,325 kPa y presión de vapor de saturación de 2,34 kPa), la elevación hidrostática ideal de la cresta antes de alcanzar la presión de vapor es de 10,10 m (33,1 ft), mientras que la elevación práctica de servicio en tuberías industriales es menor debido a la fricción, la altura de velocidad y la liberación de gases disueltos. Los fluidos densos, como el agua pesada (D₂O, densidad de 1.105 kg/m³) o los lodos minerales (densidad relativa de 1.35), alcanzan ese límite de presión subatmosférica a cotas proporcionalmente menores.

¿Cómo sifonar agua por encima del borde de un depósito sin perder el cebado?

Para sifonar agua por encima del borde de un depósito sin perder el cebado, hay que evacuar el aire de la cresta hasta que el tubo curvado esté lleno de líquido al menos en un 95 % a un 100 %, sumergir la toma de aspiración al menos 3 a 4 diámetros de tubería por debajo del nivel mínimo de vaciado y situar la abertura de impulsión al menos 0,3 m a 1,0 m por debajo de la superficie del líquido de suministro. En mangueras portátiles pequeñas (12 mm a 25 mm de diámetro interior), los operarios ceban la línea con una válvula de retención autocebante de vaivén, una pera manual o llenando previamente la manguera antes de sumergir la entrada. En tuberías industriales (50 mm a 600 mm de diámetro interior), el cebado se realiza haciendo funcionar una bomba centrífuga hasta que la velocidad arrastra la bolsa de aire de la cresta aguas abajo, o aplicando vacío en el punto más alto con un cebador de vacío de anillo líquido conectado a un interruptor de nivel de punto alto.

¿Funcionan los sifones en vacío o solo bajo presión atmosférica?

Los experimentos de laboratorio con agua desgasificada previamente a 25 °C muestran que una columna de líquido puede sifonar por debajo de la presión de vapor de saturación gracias a la cohesión-tensión intermolecular y a la gravedad, mientras que el agua corriente sin desgasificar cavita cuando la presión en la cresta cae hasta la presión de vapor de saturación (2,34 kPa a 20 °C). En los ejemplos de los libros de texto, a menudo se afirma que la presión atmosférica empuja el líquido hacia arriba por la rama de entrada. Sin embargo, los estudios publicados en Physics Education / PMC4667279 y Nature Scientific Reports (srep04741) muestran que la atracción gravitatoria sobre la pesada columna descendente genera tensión en los enlaces de hidrógeno del líquido; es decir, la cohesión mantiene la columna, mientras que la presión atmosférica frente a la presión de vapor y la cavitación determinan el límite en las tuberías industriales de uso habitual.

Efecto sifón en las tuberías de impulsión descendentes de bombas: recuperación de altura estática y curvas del sistema

En una tubería de impulsión descendente que cruza una cresta elevada y termina por debajo de su cota, el efecto sifón recupera de 7,0 m a 8,5 m (23 ft a 28 ft) de altura estática cuando la rama descendente queda llena, lo que reduce la altura dinámica total (TDH) y desplaza hacia la derecha el punto de funcionamiento de la bomba centrífuga.

Al diseñar bombas centrífugas para transportar agua o lodos por encima de un dique, la pared de un depósito o un puente de tuberías, la conducción atraviesa dos regímenes hidráulicos. El primero se produce durante el llenado inicial (cebado) de la tubería (régimen 1: arranque con la cresta sin cebar). El tramo situado después de la cresta (el punto más alto de la tubería) está vacío y abierto a la atmósfera. La bomba debe generar altura suficiente para elevar el líquido hasta la cota de la cresta, además de vencer las pérdidas por fricción en el tramo ascendente. En el segundo régimen (régimen 2: funcionamiento cebado con ayuda del sifón), el líquido alcanza velocidad suficiente para purgar el aire y sellar la rama descendente. El peso del agua descendente crea una presión subatmosférica o vacío en la cresta que atrae el líquido hasta el punto más alto de la tubería. Este fenómeno se explica con más detalle en el artículo Pumps & Systems Siphon Effect Analysis.

Como señala la guía de ingeniería hidráulica de Kansas State University (K-State Gravity & Siphon Pipeline Systems), el vaciado del depósito también modifica este equilibrio con el tiempo: cuando baja el nivel de la balsa de suministro (z₁(t)) o sube el de la balsa receptora (z₂(t)), cambian continuamente tanto la elevación efectiva de la cresta (z_crest – z₁(t)) como la altura estática neta. No calcular la curva del sistema de bombeo para los dos regímenes provoca dos fallos típicos en campo: dimensionar solo para la altura con el sifón cebado deja la bomba sin capacidad para superar la cresta durante el arranque, mientras que dimensionarla solo para la cresta sin cebar hace que funcione más allá del punto de máximo rendimiento (BEP), sobrecargue el motor y provoque cavitación por altura neta positiva de aspiración requerida (NPSH_r) cuando se establece el sifón.

Ejemplo práctico: tabla calculadora de altura de sifón para dos regímenes

Datos supuestos: Agua limpia (20 °C, SG = 1.00) bombeada con un caudal de diseño de 150 m³/h (660 GPM) por una tubería de acero Schedule 40 de 150 mm (6 in) y 120 m de longitud total. Nivel del líquido en la balsa de aspiración z₁ = 0,0 m de referencia; cota de la cresta de la tubería z_crest = +9,0 m; cota de la balsa de impulsión sumergida z₂ = +2,0 m (lo que deja una rama descendente de -7,0 m después de la cresta, dentro del límite práctico de recuperación por vacío de 8,5 m).

Límites de altura de sifón y velocidad en tuberías: cálculo del vacío en la cresta y arrastre de aire

Al nivel del mar (101,3 kPa) y con agua a 20 °C, la altura teórica máxima del sifón es de 10,1 m (33,1 ft), y el límite de diseño es de 7,0 m a 8,5 m (23 ft a 28 ft). La tubería que pasa por la cresta debe mantener un número de Froude crítico para arrastrar las bolsas de aire atrapadas aguas abajo.

Al realizar un cálculo de presión de impulsión de una bomba en una estructura elevada de tuberías, los ingenieros deben reducir la cota máxima de la cresta del sifón según tres variables físicas: la altitud del emplazamiento (que reduce la presión barométrica ambiental P_atm aproximadamente 11 kPa por cada 1.000 m), la temperatura del líquido (que eleva exponencialmente la presión de vapor P_v de 2,34 kPa a 20 °C a 19,94 kPa a 60 °C) y la densidad relativa del fluido (SG). En las estructuras hidráulicas descritas también en la monografía 25 de ingeniería de US Bureau of Reclamation (USBR EM-25 Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators), el aire disuelto suele empezar a desprenderse cuando la presión absoluta en la cima del sifón baja de aproximadamente 30 kPa a 35 kPa (-66 kPa a -71 kPa manométricos), mucho antes de que el agua pura alcance su presión de vapor de ebullición.

¿Hasta qué altura puede elevar agua un sifón antes de que la cavitación interrumpa el flujo?

Un sifón de agua limpia al nivel del mar y a 20 °C alcanza el límite de presión de vapor cuando la elevación de la cresta sobre la superficie de origen, la pérdida de carga por fricción en la tubería aguas arriba y la altura de velocidad suman aproximadamente 10,1 m (33,1 ft). En cambio, las tuberías industriales pierden el cebado entre 7,0 m y 8,5 m (23 ft a 28 ft) porque el aire disuelto se libera y forma bolsas en la cima. Los estudios sobre tuberías descendentes (CalPoly Digital Commons Pipeline Air Pocket Study) muestran que la eliminación del aire atrapado en la cresta no depende de una única velocidad: la velocidad necesaria varía según el diámetro interior D, el ángulo de pendiente descendente θ y la proporción entre el caudal de aire y el de agua, expresados mediante el número de Froude de la tubería (Fr = v / √(gD) ≥ 0.54 a 0.85). Las tuberías de agua pequeñas, de 50 mm a 100 mm, eliminan burbujas pequeñas a 0,6 m/s a 1,2 m/s. En conductos mayores, de 200 mm a 500 mm, se dan regímenes bifásicos estratificados, de retorno de flujo y de tapones que añaden grandes pérdidas de carga, salvo que la velocidad supere 1,5 m/s a 2,2 m/s (y ≥ 1,8 m/s a 2,5 m/s en sifones de lodos para evitar la acumulación de sólidos en el fondo).

Rompedor de sifón, interruptor de vacío atmosférico y válvula de retención: cómo detener el flujo inverso

Una válvula de retención impide que el flujo vuelva a través de una bomba parada hacia el sumidero de aspiración, mientras que un rompedor de sifón en la cima o un interruptor de vacío atmosférico admite aire en el punto más alto para romper el vacío y detener el sifonado inverso y el vaciado descendente por gravedad.

Un error costoso en las bombas de aguas residuales autocebantes y sumergibles y en los trasvases desde depósitos de productos químicos es instalar una válvula de retención de clapeta o de muelle en la impulsión de la bomba y esperar que impida el vaciado descendente del depósito cuando se pare la bomba. Una válvula de retención es un elemento mecánico unidireccional que se cierra cuando el flujo inverso intenta volver hacia la bomba. Si la salida de la tubería de impulsión está por debajo del depósito de suministro, la gravedad mantiene completamente abierta la clapeta de la válvula y vacía todo el depósito cuando se detiene el motor.

También es esencial distinguir los dispositivos industriales que interrumpen el sifón en el sentido de avance de los conjuntos que protegen las conexiones cruzadas de agua potable. Según las directrices de protección contra conexiones cruzadas de US Environmental Protection Agency (EPA Cross-Connection Control Best Practices Guide) y la serie de normas ANSI/ASSE 1001 (incluidas ASSE 1001-2017 y ASSE 1001-2021), un interruptor de vacío atmosférico (AVB) está homologado exclusivamente para proteger frente al sifonamiento inverso de agua potable en condiciones de presión no continua (un máximo de 12 horas de presión continua), sin válvulas de cierre aguas abajo ni contrapresión, y suele instalarse al menos 152 mm (6 in) por encima de la salida aguas abajo más alta o del borde de rebose. En cambio, para detener el sifonado de avance en un colector industrial de impulsión de bombas se necesita una válvula de admisión de aire rompedora de sifón en la cima, una válvula combinada de aire y vacío AWWA C512 / M51 o un orificio de purga con ventilación continua en la cima de la tubería.

«Los interruptores de vacío atmosférico (ASSE 1001) se utilizan únicamente en situaciones de sifonamiento inverso, nunca deben permanecer bajo presión continua durante más de 12 horas, no deben tener ninguna válvula de cierre aguas abajo y deben instalarse al menos 6 pulgadas (152 mm) por encima de la salida aguas abajo más alta o del borde de rebose».

Norma ANSI/ASSE 1001 y guía de control de conexiones cruzadas de US EPA

Reglas de decisión de ingeniería: si ocurre X, elija Y

• Cuando la salida de impulsión queda sumergida por debajo del nivel de rebose del depósito de aspiración y se desea evitar el vaciado por gravedad al parar la bomba con agua limpia, puede instalarse una válvula rompe-sifón / de aire y vacío Apex (AWWA C512) o una electroválvula de aire normalmente abierta en el punto más alto del sifón.
• En tuberías que transportan lodos abrasivos o residuos fibrosos, donde los asientos de las válvulas de flotador se atascan, puede utilizarse una línea de purga con orificio ventilado en la parte alta, junto con una válvula de retención de clapeta de goma en la impulsión de la bomba, para permitir el drenaje al pozo húmedo.
• Para aislar una tubería de agua potable e impedir el sifonaje inverso hacia un depósito industrial, instale un ASSE 1001 AVB (como mínimo 152 mm por encima del borde de rebose, con una presión continua máxima de 12 h y sin válvula de cierre aguas abajo) o un ASSE 1020 PVB (como mínimo 305 mm por encima de la salida y apto para presión continua), conforme a normas internacionales de producto de ASSE.

Configuraciones de sifones industriales: sifones invertidos, sifones dosificadores de campana y sifones de cola de cerdo para manómetros de vapor

Además de los sifones convencionales con cresta elevada, las plantas industriales utilizan sifones invertidos (colectores gravitatorios deprimidos que pasan por debajo de obstáculos), sifones dosificadores automáticos de campana (dispositivos que vacían depósitos por lotes sin alimentación eléctrica) y sifones de cola de cerdo o en espiral para manómetros de vapor conforme a ASME B40.100, que retienen el condensado para proteger los instrumentos de presión.

Como el término sifón se aplica a cuatro geometrías distintas de tubos en U en las tuberías industriales, especificar una configuración incorrecta puede provocar la obstrucción de alcantarillas o daños en los transmisores de presión. Un sifón invertido tiene la forma de una U normal, no de una U invertida. Pasa por debajo de un río, una carretera o un corredor de servicios y depende de la diferencia de altura piezométrica entre la cámara de entrada aguas arriba y la cámara de salida aguas abajo para impulsar el líquido hacia arriba por el tramo ascendente. Como los sólidos se depositan en el codo inferior cuando el caudal es bajo, las normas municipales para sifones invertidos de aguas residuales exigen al menos dos conductos paralelos y una velocidad media mínima de 3,0 ft/s (0,92 m/s) para aguas residuales sanitarias; para transportar arenas industriales más pesadas o lodos se eligen velocidades superiores. Para aguas residuales sanitarias sin tratar, se mantiene una velocidad media de 3.0 pies por segundo (0,92 m/s). Para transportar arenas industriales más pesadas o lodos, se aumenta la velocidad.

¿Para qué se utiliza un tubo sifón de cola de cerdo en los manómetros de vapor?

Se instala un tubo sifón en bucle o en espiral entre una tubería de vapor y un manómetro para retener un sello protector de agua condensada que impide que el vapor vivo entre en contacto directo con el tubo Bourdon o el elemento sensor de presión. Según ASME B40.100 y las buenas prácticas de ingeniería 17 de Inveno, si el vapor vivo entra en un manómetro sin protección, provoca un desplazamiento térmico del cero, ablanda las uniones soldadas o rompe los elastómeros diseñados para 60 °C a 85 °C. Antes de abrir la válvula de aislamiento de raíz durante la puesta en marcha, los técnicos deben llenar previamente el bucle sifónico con agua a temperatura ambiente para que el condensado, al ser incompresible, transmita la presión del vapor y disipe calor al aire exterior.

Válvulas industriales antisifón, rompedores de vacío y bombas de trasiego con sifón: dimensionamiento y coste

Las válvulas industriales antisifón y los rompedores de vacío atmosférico o de presión de nuestra tabla de precios cuestan entre $140 y $1.100 en tamaños de 1 in a 2 in (DN25 a DN50), y entre $650 y $6.200+ en tamaños embridados de 3 in a 6 in (DN80 a DN150); las bombas de trasiego con sifón autocebantes cuestan entre $900 y $15.000+.

Al diseñar o comprar equipos para descargar bidones o alimentar depósitos diarios de productos químicos, los ingenieros comparan el coste de las válvulas con el de las bombas. Para trasvases ocasionales desde bidones de 200 L (aproximadamente 52.8 US gal), las bombas manuales de sifón de polietileno cuestan entre $25 y $160; para un servicio continuo en planta se necesitan bombas para trasiego de productos químicos resistentes a la corrosión, junto con una protección antisifón diseñada para la aplicación. Un dispositivo antisifón automático patentado (patente USPTO US20090020163A1) incorpora una válvula de clapeta antirretorno y un conjunto de válvula accionado por interruptor que permite la entrada de aire en la tubería para interrumpir el sifonaje inverso.

¿Por qué es importante esa diferencia para los costes de explotación? Supongamos que una tubería de desagüe de 150 m³/h dispone de 6,5 m de recuperación útil por sifón descendente y funciona 6.000 horas/año con un rendimiento eléctrico-hidráulico del 72 %. Si la cresta permanece ventilada a la atmósfera mediante un tubo vertical abierto, la bomba tendría que vencer cada hora los 6,5 m de altura estática, con un consumo adicional de 3,69 kW, o 22.140 kWh/año ($2,650/año a $0.12/kWh). Una válvula cerrada de alivio de vacío que solo se acciona cuando es necesario (al interrumpirse la aspiración) amortiza su coste en menos de 6 meses.

Drenaje sifónico de cubiertas, vaciado de embalses y diagnóstico de bolsas de aire o golpes de ariete

Los sistemas de drenaje sifónico de cubiertas diseñados conforme a ASPE 45 / EN 12056-3 utilizan deflectores antirremolino en las salidas del tejado para excluir el aire y mantener la tubería llena al 100 % bajo presión subatmosférica; las tuberías sifónicas industriales pueden fallar por bolsas de aire en la cresta, desgasificación de gases disueltos, colapso de paredes delgadas o golpe de ariete por separación de la columna de agua.

En un sistema convencional de drenaje de cubiertas por gravedad, los bajantes suelen diseñarse para funcionar aproximadamente al 20 % a 33 % de su capacidad, con un núcleo de aire central, mientras que los colectores pluviales horizontales suelen tener una pendiente del 0,5 % al 2 % (1/16 in/ft a 1/4 in/ft). Un sistema de drenaje sifónico diseñado para la aplicación incorpora salidas de cubierta con deflectores que impiden la entrada de aire por vórtice durante las lluvias de diseño. Así, los colectores horizontales pueden instalarse con pendiente nula, a 0°, y funcionar al 100 % de su capacidad, lo que permite alcanzar una velocidad de flujo de 3× a 4× con diámetros de tubería menores. Sin embargo, tanto los sumideros sifónicos de cubierta como los grandes conductos de vaciado de embalses funcionan con un vacío intenso en la cresta (-50 kPa a -80 kPa manométricos). Cuando un sifón se detiene o produce golpes en una demostración de campo o durante el servicio continuo, los técnicos de mantenimiento pueden determinar la causa principal mediante la matriz de diagnóstico siguiente.

Selección de bombas centrífugas industriales y para lodos en tuberías de impulsión asistidas por sifón

Para seleccionar bombas centrífugas, autocebantes para aguas residuales, de carcasa partida axial o para lodos de servicio pesado en una tubería de impulsión descendente asistida por sifón, hay que verificar la potencia en el eje, la intensidad del motor y la altura neta positiva de aspiración disponible (NPSHa), tanto en el arranque sin cebar y con gran altura de impulsión en la cresta como en el punto de máximo caudal con el sifón cebado.

Cuando una tubería pasa por encima de un dique de contención, una presa de relaves o un dique fluvial y desciende hasta una salida situada a menor altura, la bomba debe proporcionar suficiente altura de cierre y altura en el tramo medio de la curva para elevar el líquido hasta la cresta durante el arranque. También debe tener una curva de potencia que no provoque sobrecarga y un NPSH_r bajo para el mayor caudal que se produce una vez formado el sifón. BBP Manufacturing Co., Ltd. diseña y fabrica 10 series de bombas industriales con caudales de 3,6 m³/h a más de 20.000 m³/h y alturas de impulsión de 5 m a 680 m. Sus bombas horizontales para lodos de servicio pesado y bombas de carcasa partida axial de gran caudal se adaptan a las curvas del sistema de tuberías en ambos regímenes.

Alcance y suministro: BBP Manufacturing Co., Ltd. fabrica bombas centrífugas industriales y bombas para lodos, aguas residuales y productos químicos; las válvulas de fontanería de terceros, como los rompedores de vacío ASSE 1001/1020 o las válvulas de aire AWWA C512, se especifican como accesorios de tubería en los esquemas del sistema.