El Golpe de Ariete en Instalaciones Hidráulicas

Universidad de VigoESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE

INGENIEROS INDUSTRIALES

El Golpe de Ariete en

Instalaciones Hidráulicas

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Instalaciones HidráulicasMáquinas Hidráulicas, curso 2008/09

5º Curso – Ingeniero en Organización Industrial

Víctor Manuel Blanco Picos

- Junio 2009 -

� Instalación hidráulica real: sistema dinámico. Fenómenos transitorios.

Sobrepresiones y depresiones que pueden dar lugar a averías y fallos de

funcionamiento de la instalación.

� Causas:

� Controlables: arranque o parada controlados de turbomáquinas, cierre o

apertura de válvulas...

1. INTRODUCCIÓN (1/2)

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apertura de válvulas...

� No controlables: corte de suministro eléctrico en un sistema de bombeo,

rotura de una tubería...

� Transitorios

� Suaves: fluido incompresible. Conducciones no deformables. Velocidad de

propagación infinita.

� Bruscos (golpe de ariete): fluido compresible. Conducciones deformables

debido a las variaciones de presión. Velocidad de propagación finita.

1. INTRODUCCIÓN (2/2)

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� Menabrea (1858), “Note sur les effets de choc de l’eau dans les conduites”.

� Michaud (1878), “Coups de bélier dans les conduites. Étude des moyens

employés pour en atténuer les effets”. Análisis matemático.

� Korteweg (1883). Efecto de la elasticidad del material de la tubería sobre la

velocidad de propagación del sonido en el seno del fluido.

� Joukowsky (1897). Análisis matemático. Experimentación. Estudio del valor

máximo de velocidad en condiciones de seguridad. Primera gran aportación

2. HISTORIA

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máximo de velocidad en condiciones de seguridad. Primera gran aportación

a la teoría del golpe de ariete.

� Allievi (1903), “Teoría generale del motto perturbato dell’acqua nei tubi in

pressione”. (1913) “Teoría del colpo d’ariete”.

� Schnyder (1929), métodos gráficos.

� Bergeron (1933), métodos gráficos. Aplicación a otros campos.

� Streeter y Wylie (1963), “Hydraulic Transients”.

� Chaudhry (1979), “Applied Hydraulic Transients”.

� En España: Mendiluce (1974), “El golpe de ariete en impulsiones”.

� Alternancia de sobrepresiones y depresiones debidas al movimiento

oscilatorio del fluido en el interior de una tubería, como consecuencia de la

interrupción del flujo.

3. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO (1/2)

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A B

Onda de presión

L

H

3. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO (2/2)

� Tiempo que tarda la onda

en recorrer la distancia

entre la válvula y el

depósito:

t0 = L/a

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� El ciclo se repite tras

T = 4 t0 = 4 L/a

� En impulsiones, mismo

fenómeno pero en sentido

contrario.

� Streeter y otros:

� Allievi (agua):

4. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓNDE LA ONDA DE PRESIÓN

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� Si hay gas disuelto en el fluido y éste se separa, la celeridad se ve

modificada: disminuye al hacer la fase gaseosa que la mezcla bifásica que

forma el fluido sea más compresible.

� Tramos de tuberías de diferentes características: se calcula la celeridad

media como la media ponderada de la celeridad de cada tramo.

� Tiempo T: intervalo entre el inicio y el final de la maniobra.

� Mendiluce:

5. TIEMPO DE CIERRE DE LA VÁLVULA Y TIEMPODE PARADA DE LA BOMBA (1/2).

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� C es función de la pendiente:

� K representa principalmente el efecto

de la inercia del grupo motobomba.

Sus valores empíricos varían con la

longitud de la impulsión:

� T < 2 L / a � Cierre rápido. Se alcanzará la sobrepresión máxima en algún

punto.

� T > 2L / a � Cierre lento. No se alcanzará la sobrepresión máxima.

� Caso más desfavorable: T ≈ 0 (Cierre instantáneo). En la práctica sólo ocurre

cuando hay gran pendiente hidráulica.

5. TIEMPO DE CIERRE DE LA VÁLVULA Y TIEMPODE PARADA DE LA BOMBA (2/2).

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cuando hay gran pendiente hidráulica.

� Cuanto mayor sea T menor será la sobrepresión, por lo que con un buen

control de T es posible limitar en gran medida los problemas de fenómenos

transitorios en sistemas hidráulicos.

� Cierre lento: Michaud

� Cierre rápido: Allievi

6. CÁLCULO DE LA SOBREPRESIÓN PRODUCIDAPOR EL GOLPE DE ARIETE.

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� Punto crítico (corte de las rectas de

Michaud y de Allievi en conducciones largas):

� L < Lc � Conducción o Impulsión corta. Michaud.

� L > Lc � Conducción o Impulsión larga. Allievi en Lm = L – Lc, resto

Michaud.

� Simulación más precisa del golpe de ariete.

� Consiste en transformar las ecuaciones diferenciales parciales de

continuidad y de movimiento en ecuaciones diferenciales ordinarias, y

posteriormente resolverlas mediante un esquema de diferencias finitas.

7. EL MÉTODO DE LAS CARACTERÍSTICAS

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� ¿Cómo evitar los transitorios?

� Modificando el trazado y composición de la instalación. No viable

económicamente para tuberías de gran longitud.

� Reduciendo la velocidad durante el régimen permanente. Bajo

rendimiento de la instalación, implicaciones económicas.

� Instalando dispositivos de atenuación. Económicamente más razonable.

8. DISPOSITIVOS DE ATENUACIÓN (1/4)

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� Instalando dispositivos de atenuación. Económicamente más razonable.

� Tipos:

� De acción directa: actúan directamente sobre la causa de las

oscilaciones, las variaciones de velocidad. Se colocan en serie con la

tubería, y actúan desde el inicio del transitorio.

� De acción indirecta: actúan sobre los efectos, tratando de minimizarlos.

Se colocan en paralelo con la tubería, y actúan cuando el transitorio

llega al punto en que están instalados.

� Dispositivos de acción directa:

� Volante de inercia

8. DISPOSITIVOS DE ATENUACIÓN (2/4)

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� Válvulas de retención (anti-retorno)

� Válvulas de cierre programado

Válvula de retención múltiple

� Dispositivos de acción indirecta:

� Chimeneas de equilibrio o

pozos piezométricos

8. DISPOSITIVOS DE ATENUACIÓN (3/4)

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� Cámaras o calderines de aire

� Dispositivos de acción indirecta:

� Ventosas

8. DISPOSITIVOS DE ATENUACIÓN (4/4)

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� Válvulas de alivio o descarga

� Válvulas reguladoras de presión

APLICACIÓN PRÁCTICA: BOMBAS DE ARIETE

� Montgolfier, 1796

� Ampliamente utilizada durante el siglo XIX

� Anécdota: fuentes del Taj Mahal

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Tubería de descarga

Corriente

Bomba de ariete

Tubería de cargaH1

H2

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