ENSAYOS Y CARACTERIZACIÓN HIDRÁULICA DE TUBERÍAS POROSAS PARA RIEGO

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XXXIII Congreso Nacional de Riegos
Universitat Politècnica de València, Valencia 2015
DOI:http://dx.doi.org/10.4995/CNRiegos.2015.1519
ENSAYOS Y CARACTERIZACIÓN HIDRÁULICA
DE TUBERÍAS POROSAS PARA RIEGO
Casado Fernández, E. (1) (P), Juana Sirgado, L.(2)
1 Investigador, E.T.S. Ingenieros Agrónomos, UPM, Dpto. Ing. Agroforestal. Avda.
Complutense 3, 28040 Madrid. eduardo.casado.fernandez@alumnos.upm.es
2 Profesor Titular, E.T.S. Ingenieros Agrónomos, UPM, Dpto. Ing. Agroforestal. Avda.
Complutense 3, 28040 Madrid. luis.juana@upm.es
Resumen.
El presente trabajo pretende profundizar en el estudio del desagüe de las tuberías
porosas, aportando ideas para su caracterización hidráulica y para la determinación de las
circunstancias en las que pueden presentar un mayor potencial. Se presentan los primeros
resultados experimentales con diferentes materiales y se discute sobre el funcionamiento y
resultados de las mismas en posibles instalaciones. Se han realizado ensayos de
caracterización de la curva de desagüe, presión-caudal, distribución de presiones y de
gastos a lo largo de la tubería y se ha observado la porosidad bajo lupa binocular.
Summary
This work intends to start an in-depth study of porous pipes, delivering ideas for their
hydraulic characterization, and for defining the conditions under they can be used with better
results. In this paper first batch of experimental data is shown. Results have been obtained
with different types of porous pipes (textile and extruded from reclaimed rubber and recycled
plastic binder). Experiments have been carried out about flow-discharge features, pressure-
flow correspondence, and pressure/flow distribution along pipes. Porous pipes have been
also observed with a stereo microscope.
1) Introducción. Objetivos.
Con el fin de poder valorar las posibilidades de las tuberías porosas de incrementar
su presencia en los regadíos agrícolas actuales, se considera necesario profundizar en el
funcionamiento de este sistema de riego localizado con bajo requerimientos de energía.
La información técnica suministrada por los fabricantes de los materiales de este
método de riego es escasa, por comparación con la ofrecida en otros métodos, y, en
algunos casos, resulta insuficiente para realizar un proyecto de riego justificado.
A diferencia con un gotero, que tiene un único punto de emisión, la multitud de
puntos de emisión de las tuberías porosas le confieren ventajas e inconvenientes a su
comportamiento hidráulico y, a aspectos puntuales del mismo, como los relacionados con la
obturación. En este sentido, la mayor humectación del suelo puede ser beneficiosa para
algunos cultivos y también, en riego subsuperficial y en lo que se refiere a la obturación por
raíces, puede presentar ventajas, pues aun llegando a penetrar las raíces en el interior, los
pelos radiculares no progresan en su crecimiento tal como se ha observado con raíces de
gramíneas en muestras del material extraídas de instalaciones.

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En el mercado existen básicamente dos tipos de tuberías porosas:
- las fabricadas por medio de extrusión de agregados procedentes del reciclaje de
neumáticos (denominadas a continuación con el acrónimo TPE);
- las fabricadas mediante proceso textil (denominadas a continuación con TPT).
Las primeras presentan un interés adicional servir para el reciclado de un elemento
problemático a nivel medioambiental. Actualmente se comercializan fundamentalmente en
paisajismo y jardinería y en riegos hortícolas con pequeña superficie.
Ambos tipos de tuberías emisoras, presentan características distintas que conviene
determinar mediante procedimientos experimentales, siendo necesario avanzar en la
determinación de procedimientos de ensayo específicos, los cuales en un futuro, convendría
normalizar de cara a tener una mayor garantía sobre sus determinaciones.
Teeluck, M. y Sutton, B.G. (1998), estudian experimentalmente la variación del gasto
desaguado en una TPE, concluyendo que la tubería estudiada no posee las cualidades
adecuadas como ramal de riego debido a su alto coeficiente de variación, del 0.20 a 0.35,
que además aumento con el paso del tiempo.
En un estudio más reciente, Pinto et al (2014) ensayan una TPE y concluyen que a
todas las presiones ensayadas se obtuvo un resultado satisfactorio del coeficiente de
variación (valores próximos a 0.05). Asimismo, observaron unas pérdidas de carga que no
parecían corresponder con las obtenidas por las expresiones clásicas y una curva de gasto
que no era bien representada por la expresión potencial típica y proponiendo otra más
compleja, también empírica, que ajustaba mejor sus resultados experimentales.
En este trabajo, como un primer paso para el estudio de este tipo de materiales, se
pretende la realización de los ensayos clásicos del riego por goteo en estas tuberías y su
interpretación. En particular, se pretende:
1. Caracterización de la curva de desagüe, presión-caudal.
2. Caracterización de la distribución de presiones y de gastos a lo largo de la tubería y,
en especial, caracterización de las pérdidas de carga frente al caudal entrante en
relación con la longitud de tubería.
3. Observación bajo lupa binocular de la porosidad y caracterización de esta en la pared
de las tuberías emisoras.
2) Material y métodos.
Se han realizado ensayos con cuatro tipos de tuberías diferentes, tres de fabricación
textil y una tubería de extrusión de agregados de caucho reciclado (de distinto fabricante a
las utilizadas en los trabajos referidos). Los ensayos se han llevado a cabo en el Laboratorio
de Hidráulica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de Madrid.
Curva presión-caudal.
Para determinar la curva de desagüe, presión-caudal, para cada tipo de tubería se
cortaron y colocaron cuatro tramos de un metro de longitud alimentados desde una tubería
con presión prácticamente constante en toda su longitud, ver imagen 1. El tramo de un
metro de tubería porosa, en ocasiones se conectó en el desagüe de un gotero a su vez
conectado a la tubería de alimentación se fue aumentando, en cada ensayo, con la tubería

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en incrementos de 5 en 5 kPa desde cero hasta un valor máximo
en función de la tubería ensayada y luego reduciéndose otra vez,
con el mismo incremento, hasta llegar de nuevo a cero. La presión
de alimentación se midió con manómetro de precisión con
sensibilidad de 1 kPa. Adicionalmente, en un extremo de cada
tubería se midió la presión con manómetro digital con una
sensibilidad de 1 mm. Para medir el gasto o volumen desaguado
por unidad de tiempo se usó un cronómetro y probetas de un litro,
con divisiones de 10 ml. Dado que en ocasiones se producía la
emisión de chorros, la tubería se introdujo dentro de una tubería de
PVC de 50 mm de diámetro que recogía el volumen y se colocó
con una ligera inclinación para favoreces el desagüe a la probeta
Imagen.1. Banco de ensayos para
obtener la curva de gasto.
Pérdidas de carga y distribución de gasto a lo largo de la tubería.
Para los ensayos de pérdida de carga y la distribución de gasto a lo largo de la
tubería se extendió una longitud de entre 40 m hasta 100 m, según tipo de material. El
caudal se midió con un cronómetro y un contador volumétrico con una sensibilidad de 0.1 L
y de 1.500 L/h de caudal nominal. Las pérdidas de carga entre cabeza y cola se midieron
con un manómetro digital diferencial con sensibilidad de 1 mm y la presión en cabeza con
manómetro digital con sensibilidad e 1 mm. El caudal a lo largo de la tubería se midió en
tramos de un metro a intervalos de 10 o 20 m, según tipo y longitud de tubería, con un
procedimiento similar al comentado en la curva presión-caudal. Para cada material se
realizaron varios ensayos a distintas presiones modificando la velocidad de giro de la bomba
que alimenta el banco de ensayos y/o con la ayuda de llaves de paso en la misma tubería
y/o en derivaciones, ver imagen 2.
Imagen 2. Banco de ensayos para ramales.
Para obtener las imágenes de la tubería, se ha empleado una lupa binocular con un
aumento 20x, equipada con una cámara de 5 megapixels.

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3) Resultados.
TPT1
El ensayo de la curva de gasto en la TPT1, mostró una importante histéresis. En la
fase de caudales crecientes, a una presión próxima a 2 m, el caudal se incrementó
exponencialmente, ver figura 1. El caudal de la fase decreciente fue considerable más alto
con un exponente de la ecuación de desagüe próximo a 2.
Figura 1. Curva de gasto, tubería TPT1
Imagen 3. Tubería porosa textil TPT1
(malla 200µ).
La justificación del aumento exponencial de la descarga tiene que estar relacionado
con el aumento de los poros que desaguan al aumentar la presión. Para que el agua
empiece a salir por un poro en contacto con la atmósfera, supuesto circular, es necesario
que la presión p en la tubería sea mayor de 4
σ
/d, para vencer la sobrepresión que, por la
energía superficial
σ
se formaría en un menisco convexo de diámetro d, o dicho de otra
forma, para cada presión desaguarán únicamente los poros mayores de un tamaño mínimo
dmin = 4
σ
/p. El diámetro para p = 2 m, sería aproximadamente unas 15 µm (en la imagen 4,
se muestra la pared de la tubería, en la que se observa claramente el patrón uniforme de la
distribución de las fibras además de su tamaño). Cabe esperar que cuando desagüe un
número importante de los poros se forme una película de agua alrededor de la tubería que
elimina el menisco y, como consecuencia, desaguarían todos los poros. La fase decreciente
sale un caudal mayor dado que al estar saliendo agua no debe vencerse la sobrepresión del
menisco.
Si en la fase de presión decreciente desaguan la mayoría de los poros, el alto
exponente de la ecuación de desagüe, x = 2, hace pensar asimismo que la dilatación de la
pared de la tubería es significativa. Las variaciones entre los cuatro ramales, aunque no es
un número bajo de repeticiones, presentó valores de CV alrededor de 0.10 cuando las
presiones eran mayores de 0.5 m, siendo mayores para las presiones muy pequeñas.
Un aspecto determinante es el alto caudal desaguado lo que imposibilita proyectar
grandes longitudes con el diámetro de la cinta D = 16 mm. Sería necesario reducir el caudal
hasta 20 veces para poder alcanzar longitudes de unos 50 m a una presión de
aproximadamente 1 m. No obstante, reducir más la presión no sería conveniente puesto que
los pequeños desniveles reducirían mucho la uniformidad.
0
25
50
75
100
125
150
175
200
00.5 11.5 22.5
q(L/h/m)
p(mca)
4
3
2
1
q =#42)h2

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Los ensayos en ramales y las pérdidas de carga están muy condicionados por las
importantes diferencias de gasto entre el primer tramo del ramal y el último.
Tubería TPT2 y TPT3
Ambas tuberías son similares si bien la primera está pensada para trabajar a mayor
presión que la segunda.
La tubería TPT2 ha presentado también algo de histéresis, ver figura 2, pero además
de ser considerablemente menor, en este caso el gasto de la fase creciente, en algunos
tramos, ha sido algo mayor que el de la fase decreciente. La variación del gasto con la
presión también ha sido muy importante, x ≅ 2, lo que, de aceptar el razonamiento dado en
TPT1 indicaría asimismo que hay una influencia significativa de la dilatación.
El caudal desaguado es mucho más reducido que en la TPT1, la curva ajustada,
tiene el mismo exponente que la representada anteriormente pero un coeficiente 54 veces
menor. En la pared, imagen 5, se aprecia de una forma nítida el patrón de las fibras, y como
éstas son de mayores dimensiones que las que aparecen en la Imagen 4, por lo que puede
deducirse que el número de poros por unidad de superficie es menor en esta tubería.
Las desviaciones promedio relativas de los caudales observados con respecto a la
curva de juste única representada han sido 0,22, si bien, este valor se reduce a 0,14 para
las presiones mayores de 2 m y a 0,11 para las mayores de 4 m. Como consecuencia, si
bien, los valores son más altos de lo que es frecuente en riego por goteo los resultados
podrían ser aceptables si se mantienen las características.
Figura 2. Curva de gasto, tubería TPT2
Imagen 5. Tubería porosa textil TPT2
(malla 200µ).
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Figura 4. Curva de caudal pérdidas de
carga obtenida en la tubería TPT2 y
ajustada con las expresiones clásicas.
Figura 3. Curva de gasto, tubería TPT3
La TPT3 ha presentado también menor histéresis (ver Figura 3), pero uno de los
tramos ensayados ha dado un gasto significativamente distinto a los otros tres. La variación
del gasto con la presión ha sido importante pero menor que en las dos anteriores, x ≅ 1.35,
lo que, lo que indicaría una influencia de la dilatación pero menor, quizás pueda ser un
resultado de haber alcanzado una menor presión máxima. Las desviaciones promedio
relativas de los caudales observados con respecto a la curva de juste única pintada
eliminando el tramo 3 ha sido 0,09, reduciéndose a 0,065 si se limita a las presiones
mayores de 2 m. Como consecuencia, si bien, los valores son más altos de lo que es
frecuente en riego por goteo los resultados podrían ser aceptables si se mantienen las
características.
Los primeros ensayos en ramales, han dado unas curvas de caudal frente a pérdidas
de carga (ver Figura 4), que si bien han podido ser simuladas con el estudio iterativo clásico
del ramal (las diferencias de presión han sido superiores a las que permiten usar el factor de
reducción de Christiansen), ha sido necesario modificar los parámetros obtenidos
previamente en la curva de gasto y usar unos factores de rozamiento muy superiores a los
que cabría esperar. No obstante, también depende de los datos de las observaciones que
se consideren para simular y los que se consideren para contrastar. Los resultados no se
presentan con detalle pues se considera conveniente su revisión.
Tubería Porosa de Extrusión (TPE)
La TPE ha presentado un pequeño efecto de histéresis (ver Figura 5), con caudales
ligeramente mayores en la fase decreciente (un coeficiente 1,91 frente a 1,81). La variación
del gasto con la presión ha presentado un exponente propios del flujo en régimen laminar, x
≅ 1, que si es así el flujo por la compleja porosidad, ver imagen 6, indicaría que no hay
influencia significativa de la dilatación.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00
q(L/h/m)
p(mca)
1
2
3
4
q-=-10.4-/-p1.35
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
hf###(m)
Q(L/h)

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Figura 5. Curva de gasto, tubería TPT2
Imagen 6. Porción de una sección
transversal de la tubería porosa
extruida (malla 100µ).
Las desviaciones promedio relativas de los caudales observados con respecto a la
curva de juste única pintada ha sido 0.058 lo que indicaría unas desviaciones razonables
entre los cuatro tramos medidos.
En lo que se refiere a las pérdidas de carga, en este caso, el factor de reducción de
Christiansen ha permitido un buen ajuste (ver Figura 6). Si bien, han presentado una
aspereza importante. La expresión de Blasius, típica en ramales de riego por goteo, debido
a que la tubería es muy áspera no ha resultado adecuada, siendo preferible una expresión
de turbulencia completa.
En lo que se refiere a las
variaciones del caudal a lo largo
del ramal, las diferencias,
aunque considerablemente
menores, que en casos
anteriores, han resultado
importantes por lo que asimismo
van a ser estudiadas con más
precisión y, si ha lugar, se
propondrá método para
reducirlas. Se ha obtenido un
efecto de histéresis en la
descarga media del ramal de 3,5
m de longitud que se redujo al
sumergir la tubería. Los
resultados no se han introducido
, al considerarse necesaria su
verificación y revisión
Figura 6. Pérdidas de carga en función del caudal
desaguado en una tubería porosa de extrusión. Curva
de ajuste con exponente 2.
Conclusiones.
En las tuberías de fabricación textil, la ecuación de desagüe ha mostrado una gran
dependencia con la presión. Son necesarios exponentes próximos a 2 e incluso mayores
15
20
25
30
35
40
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
q(L/h/m)
p(mca)
1
2
3
4
q=1.85-p
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0250 500 750 1000 1250
hf##(m)
Q0(L/h)

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para situaciones en las que por estar seca la tubería el agua para salir del poro deba vencer
la presión del menisco convexo.
El caudal desaguado es, en algunas de ellas, excesivo para poder disponer de
longitudes razonables con presiones prácticas que no sean afectadas por pequeñas
irregularidades del terreno. La variabilidad del desagüe achacable a la fabricación de la
tubería ha presentado también valores más altos de los deseados. Si bien, el contacto de la
tubería con el suelo y el cómo se humedezca la tubería, pueden tener efecto en el caudal
desaguado.
Los resultados obtenidos con la fabricada por extrusión muestran una curva de gasto
con menor dependencia de la presión. Por otra parte, un menor caudal desaguado para
presiones moderadas, les hace potencialmente más aptas para el riego con unidades
grandes. Por el contrario, en lo que se refiere a las pérdidas de carga, han presentado una
aspereza importante. La expresión de Blasius, típica en ramales de riego por goteo, no ha
resultado adecuada, siendo preferible una expresión de turbulencia completa.
El fenómeno de histéresis en la ecuación de desagüe, no en la de pérdidas de carga,
puede estar relacionado con la curvatura de las gotas al salir, pues éste se ha reducido
considerablemente sumergiendo la tubería, resultando en ese caso una curva de gasto
próxima a la que se ha obtenido en la fase de descenso
Parece necesario estudiar en mayor detalle los ensayos a realizar, la forma y los
parámetros a determinar y como usar luego esa información para maximizar la predicción
empleando este tipo de materiales de riego.
4) Bibliografía.
Amin, M.S.M., Lim, C.W. and Zakaria, A. A. (1998). Flow Characteristics of a Porous Pipe
Irrigation Lateral. Pertanika J. Sci. & Techno!.6(1): 37 - 46 (1998)
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