GOLPE DE ARIETE
Descripción El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería.
Teoría generalLa fuerza de inercia del líquido en estado dinámico en la conducción, origina tras el cierre de válvulas, unas depresiones y presiones debidas al movimiento ondulatorio de la columna líquida, hasta que se produzca el paro de toda la masa líquida. Las depresiones o sobre presiones empiezan en un máximo al cierre de válvulas o parada del motor, disminuyendo hasta el final, en que desaparecerán, quedando la conducción en régimen estático.En el valor del golpe de ariete influirán varios factores, tales como la velocidad del tiempo de parada, que a su vez que a su vez puede ser el cierre de la válvula de compuerta o el paro del motor. Otros factores serían: la velocidad del agua dentro de la conducción, el diámetro de la tubería, etc. etc.Para evitar este incremento del golpe de ariete o sobrepresión creada, se instalarán varios elementos como: Válvulas de retención, calderines de aire, chimeneas de equilibrio, válvulas antiariete, etc.
Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc).La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe.El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las deplomo, arranca codos instalados.
Alexander Reyes Rodríguez
Ecuación de AllieviSe llama longitud crítica (Lc) al resultado de la ecuación siguiente:
Siendo:a = celeridadTp = el tiempo de parada.Si la instalación está formada por trozos de tuberías de características variables, como naturaleza del material, diámetro, espesor o timbraje, se hace un cálculo aproximado utilizando valores medios.
Este valor lo comparamos con la longitud real de la conducción (L) y según sea, igual, mayor o menor, se aplicarán las fórmulas siguientes: Fórmula de Allievi (la inmediata inferior)
Cuando L Lc (conducción larga o cierre rápido) Fórmula de Michaud (la inmediata superior)
Cuando L Lc (conducción corta o cierre lento)Siendo:a = celeridad (m/s)v = Velocidad (m/s)L = Longitud real (m)g = aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)Tp = tiempo de parada (s).
= Incremento del golpe de ariete o sobrepresión (m). Este valor se sumará o restará a la presión estática, para calcular el golpe de ariete, positivo o negativo.Cuando Lc = L , en este caso se podrá solucionar con cualquiera de las fórmulas: Allievi o Michaud.Conocido el incremento del golpe de ariete y sumando o restando a la presión estática, se puede calcular el timbraje de los diferentes tramos de tubería, sabiendo la máxima presión al producirse el golpe de ariete, o instalar válvulas que eviten sobre presiones sobre los timbrajes dados.
Leyes Iniciales de apertura y cierre
Leyes de maniobras de cierre y aperturaPara poder obtener los valores de la carga piezométrica y la velocidad en el órgano de control cuando éste se somete a una maniobra de cierre o apertura, es necesario conocer la ley con la cual se efectúa dicha maniobra. Con este fin, a continuación se indican las ecuaciones que pueden utilizarse para los casos más comunes que corresponden a condiciones iníciales de apertura o cierre total.
Alexander Reyes Rodríguez
Ley para una maniobra de cierre uniforme o lineal (Ecuación de continuidad)El órgano de control, se somete a una maniobra de cierre o apertura siguiendo una determinada ley, la ecuación de continuidad aplicada en una sección transversal ubicada aguas arriba del mismo que conduce a lo siguiente: Área efectiva: Cd Av
Leyes para maniobras de Cierre y Apertura. Ahora bien, al inicio de la maniobra cuando el flujo es permanente en el conducto, según la ecuación, ya que ηo = 1 y en forma análoga, la velocidad al término de la misma cuando el flujo es nuevamente permanente es Vf= Voηf. .
Ley para maniobrar de cierre y apertura no uniformes. Cuando hay una ley de cierre o apertura no uniforme, se tendrá una variación η con respecto al tiempo. En este caso resulta conveniente hacer una gráfica semejante a las que se indican de acuerdo a las características de la maniobra e interpolar de este el valor deseado de η, o bien, si se dispone de la computadora para simular la maniobra mediante líneas rectas como las que se muestran.
Protección contra el golpe de ariete Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular
gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre.
Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico.
Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales (estos dispositivos son para disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de algún otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del fenómeno del golpe de ariete).
1. función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, para evitar que se generen vacíos;
2. función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire;
3. función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa.
Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.
En una instalación en la que exista el riesgo de que se produzca el golpe de ariete, es necesario definir las protecciones que se van a introducir al sistema para minimizar sus efectos hasta niveles razonables. El dimensionado estructural de las tuberías debe resistir sobrepresiones y depresiones transitorias.
Alexander Reyes Rodríguez
Volante de inerciaEl aumento de la inercia en el grupo de presión permite aumentar el tiempo de parada y con ello disminuir los efectos del golpe de ariete. Sin embargo su utilización es limitada al tamaño del volante.
Cámaras o chimeneas de equilibrioSon recipientes de gran altura abiertos que protegen el tramo aguas abajo y reducen la intensidad del golpe de ariete aguas arriba. Son comunes en conducciones de alimentación a centrales hidroeléctricas o en impulsiones de abastecimiento, no en entornos industriales. Su utilización está muy limitada por la topografía de la zona.
Calderines, pulmones y acumuladores o cámaras de aireSon depósitos cerrados cuya parte superior tiene aire o un gas inerte (generalmente nitrógeno) bajo presión y cuya parte inferior tiene un cierto volumen de agua. Después de la parada de las bombas, el depósito suministra agua a la tubería descomprimiéndose, reduciendo así el descenso de presión debido al golpe de ariete. Posteriormente, se invierte el sentido del flujo y el agua es de nuevo almacenada en el depósito, comprimiendo el gas.
Tanques de alimentaciónDifiere de una cámara de equilibrio por el hecho de que durante el funcionamiento normal está aislado de la tubería por una válvula de retención. Cuando ocurre una depresión en la tubería por debajo del nivel de agua del tanque, la válvula abre y alimentando el flujo se evita que la depresión aumente. El tanque se alimenta por un "bypass", servido de un flotador. Están particularmente indicados para proteger puntos altos de la instalación. Como es evidente, el tanque solamente puede operar cuando la línea de depresión, tras la parada de los grupos, descienda por debajo del nivel de agua en el tanque.
Anticipadora de ondaVálvulas antiretornoIntercalar este tipo de válvulas permite seccionar la conducción en tramos más cortos lo que conlleva tiempos característicos menores que los del tubo completo. Por otra parte la instalación de este tipo de válvulas como protección de la propia bomba (para evitar flujo inverso) es fuente de transitorios violentos si ocurre una parada brusca.
Válvulas de seguridad o alivioSon dispositivos que derivan un cierto caudal fuera del conducto principal cuando la presión en este sobrepasa el valor de la tara. De esta forma se alivia la presión del interior de la tubería o equipo.Presentan el inconveniente que sólo actúan con sobrepresiones, y que salvo montajes excepcionales el caudal derivado sale fuera de la instalación.
VenteosLos venteos se utilizan para evitar depresiones en los conductos, ya que cuando éstas se producen se abren admitiendo aire del exterior. El aire entrante queda dentro de la instalación pero evita el colapso de la tubería. En la mayoría de los casos son de doble efecto y funcionan como purgadores automáticos, cuando les llega una burbuja de gas abren para expulsarla al exterior.
Alexander Reyes Rodríguez
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