102659504 Fenomenos Transitorios en Una Estacion de Bombeo

Fenómenos Transitorios en una Estación de Bombeo Ingeniería Sanitaria I

Índice

1. Introducción- Fenómenos transitorios ………………………………………………. 2. Golpe de Ariete……………………………………………………………………………… 2.1. Descripción………………………………………………………………………. 2.2. Cálculos para el golpe de ariete……………………………………………. 2.2.1. Sobrepresión máxima…………………………………………………………. 2.2.2. Celeridad……………………………………………………………………………. 2.3. Tiempo de cierre…………………………………………………………………. 2.4. Consecuencias……………………………………………………………………. 2.5. Sistemas de prevención……………………………………………………….. 2.5.1. Principios generales en la protección contra el golpe de ariete…… 2.5.2.Cámara de aire……………………………………………………………………. 2.5.3. Volante de inercia……………………………………………………………….. 3. Condiciones de Succión……………………………………………………………………. 3.1. Succión positiva…………………………………………………………………………. 3.2. Succión negativa………………………………………………………………………… 3.3. NPSH………………………………………………………………………………………… 3.3.1. ………………………………………………………………………………… 3.3.2. ………………………………………………………………………………. 4. Cavitación……………………………………………………………………………………… 4.1. Cavitación en bombas…………………………………………………………. 4.2. Cavitación en tuberías…………………………………………………………. 4.3. Sistemas de Prevención………………………………………………………. 4.3.1. Mejora del NPSH disponible………………………………………………… 4.3.2. Otras medidas de prevención……………………………………………….. 5. Referencias…………………………………………………………………………………… 6. Anexos…………………………………………………………………………………………..

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1. Introducción- Fenómenos Transitorios Para cumplir su objetivo, las líneas de conducción se diseñan y operan en condiciones de flujo permanente. Un flujo es estacionario o permanente cuando sus parámetros característicos (presión y velocidad) no varían en el tiempo. Si las condiciones del flujo varían en el tiempo, éste es no estacionario, no permanente o transitorio. Se distinguen 3 tipos de flujos transitorios hidráulicos:  Flujo transitorio muy lento o cuasi-estático, en el que las variables del flujo varían de manera muy lenta en el tiempo (con períodos del rango de intervalos de varias horas hasta varios días). Como un ejemplo se tiene el flujo no permanente en una red de agua potable, cuyos cambios se generan por la variación del consumo.  Flujo transitorio lento u oscilación de masa, que se relaciona ante todo con el movimiento de la masa de agua en la conducción, el período de un transitorio de este tipo normalmente es de varios minutos a varias horas.  Flujo transitorio rápido o brusco, generado por cambios bruscos de la velocidad en la tubería derivados de maniobras rápidas como la parada repentina de una bomba o el cierre rápido de una válvula. Los cambios bruscos en la velocidad se acompañan de cambios bruscos en la presión que se propagan por la tubería, generando ondas de presión de período muy corto (apenas varios segundos). En los transitorios hidráulicos rápidos pueden llegar a producirse presiones muy altas o muy bajas (vacíos), debido a lo cual es necesario considerarlos en el diseño de cualquier conducción. El comportamiento dinámico de un flujo transitorio puede estar producido por diferentes causas que suelen además determinar la naturaleza del transitorio. Dichas causas pueden ser:     

Maniobra de válvulas (Apertura o cierre). Parada o arranque de bombas. La mala selección de un componente. Un acontecimiento externo a la instalación. Problemas que se generan lentamente o de manera inadvertida.

Sobre algunas de las causas anteriores el diseñador o el operador pueden tener cierto control, como por ejemplo el arranque o parada controlados de las turbo-máquinas (bombas o turbinas) y el cierre o apertura de las válvulas. Por el contrario, existen causas sobre las que no existe control alguno, tales como el corte del suministro eléctrico o la rotura de una tubería. El hecho de que existan en la producción de transitorios causas de naturaleza incontrolada, no exonera a

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los diseñadores y operadores de prever el riesgo de que estas puedan tener lugar y deben dotar a la instalación, en la medida de lo posible, de los elementos que eliminen o minimicen los efectos indeseados de los transitorios. Los fenómenos transitorios que ocasionan mayores averías en las tuberías y en las instalaciones hidráulicas de una estación de bombeo son el golpe de ariete y la cavitación.

2. Golpe de Ariete Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleración en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula en la línea. Al cerrarse rápidamente una válvula en la tubería durante el escurrimiento, el flujo a través de la válvula se reduce, lo cual incrementa la carga del lado aguas arriba de la válvula, iniciándose un pulso de alta presión que se propaga en la dirección contraria a la del escurrimiento. Esta onda provoca sobrepresiones y depresiones, las cuales deforman las tuberías y eventualmente la destruyen. Desde el punto de vista energético puede considerarse la transformación de la energía cinética del fluido en energía potencial elástica (cambios de presión) y viceversa. Si la tubería carece de roce y es indeformable y por lo tanto no hay pérdidas de energía, el fenómeno se reproduce indefinidamente. Si hay roce y la tubería es elástica parte de la energía se va perdiendo y las sobrepresiones son cada vez menores hasta que el fenómeno se extingue.

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2.1

Descripción

La Figura representa la línea piezométrica en la tubería en las condiciones de régimen permanente antes del transitorio.

Con el cese del suministro de energía eléctrica al inicio de la tubería se presentan depresiones, que se propagan hacia el tanque.

Al llegar a éste, la onda de depresión se refleja y la onda reflejada se superpone con la onda de depresión que continúa llegando

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La onda reflejada tiende a igualar en su recorrido la carga en la tubería con la del tanque y después del tiempo 2L/a llega a las bombas que aún impulsan agua. A partir de este momento el transitorio puede considerarse como el resultado de la superposición de tres ondas. 1. La onda de depresión que todavía sale del inicio de la tubería debido a la disminución continua del gasto de las bombas. 2. La onda reflejada desde el tanque. 3. La que resulta del reflejo de la onda 2 desde el inicio de la tubería.

Con la disminución de la velocidad de rotación de las bombas, disminuye también la carga desarrollada por éstas. Cuando la carga al inicio de la tubería resulta mayor que la carga que desarrollan las bombas, las válvulas de no retorno cierran y la velocidad al principio de la tubería se hace cero. Esta variación en la velocidad se propaga hasta que en toda la tubería se establezca una velocidad aproximadamente igual a cero y un nivel piezométrico más bajo que el nivel de agua en el tanque.

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Esto genera un flujo desde el tanque a la tubería, que tiende a restablecer la carga Ho

Al llegar al principio de la tubería este flujo se detiene bruscamente por las válvulas de no retorno que ya se encuentran cerradas, produciéndose una onda de sobrepresión que se propaga deteniendo en su recorrido el movimiento del agua

Al llegar esta onda de sobrepresión al tanque en toda la conducción se tendrá una carga hidráulica mayor de la que da el tanque, lo que genera un flujo de la tubería hacia el tanque.

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Este flujo se acompaña de una depresión, que se propaga hacia el inicio de la tubería.

Una vez que la depresión llega al inicio de la tubería, se produce una nueva depresión como una reflexión de un extremo cerrado.A partir de este momento comienza un nuevo ciclo de depresión y sobrepresión y el transitorio presenta un carácter periódico.

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2.2

Cálculos a considerar

2.2.1

Sobrepresión máxima

- Fórmula de Joukowsky

2.2.2 Celeridad (Fórmula de Allievi)

√[

2.3

]

Tiempo de cierre

En la práctica el cierre de las válvulas es gradual, y la onda no presenta un frente brusco, sino una rampa de mayor o menor pendiente según se tarde menos o más en cerrar. A pesar de ello, el incremento final de presión es el mismo, a no ser que haya tiempo suficiente para que las sobrepresiones iniciales viajen hasta el depósito y regresen. Se habla pues de cierre instantáneo cuando el tiempo de cierre es menor que el tiempo de cierre crítico

; este parámetro tiene importancia para tuberías muy largas.

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2.4

Consecuencias del golpe de ariete

 Sobrepresiones: Las altas presiones que se producen como resultado del golpe de ariete pueden llegar a ser superiores a la resistencia de la tubería hasta provocar su reventamiento o avería. 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.).  Depresiones (presiones negativas y separación de la columna líquida): Al presentarse en el transitorio un vacío (presión menor que la atmosférica), dentro de la tubería se tendrá una presión inferior a la que actúa afuera. Para tuberías enterradas, además de la presión atmosférica, actúa también el empuje del terreno. Si la tubería no es suficientemente rígida en su sección transversal, esta diferencia de presiones puede hacer que la sección pierda su estabilidad y se colapse la tubería.  Fatiga del material: La acción repetida de cargas dinámicas fuertes durante un período de tiempo prolongado disminuye la resistencia del material del que está constituida la tubería y sus accesorios, lo que da origen a un fenómeno conocido como fatiga del material. Transitorios de mayor consideración pueden provocar también vibraciones en la tubería que se transmiten a los bloques de apoyo, cimientos, etc., los que también están sujetos a una falla por fatiga.  El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc.

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2.5 2.5.1

Sistemas de Prevención Principios generales en la protección contra el golpe de ariete

Teniendo en cuenta que

, entonces la fórmula de Joukowsky se puede expresar así:

Ésta ecuación y el mecanismo de reducción del golpe de ariete por el reflejo de las ondas de presión demuestran las siguientes formas básicas para reducir la variación de presión en los transitorios:  Aumento de la sección transversal de la tubería A (cambio de su diámetro a uno superior). Una solución de esta índole es cara y generalmente se buscan otras soluciones. Puede ser conveniente en los casos donde algunos tramos de pequeña longitud y pequeño diámetro en la conducción son la causa de un aumento considerable del golpe de ariete.  Disminución de la velocidad de propagación de la onda de presión a. La velocidad a depende de la elasticidad del material de la tubería y del contenido de aire dentro del agua. En esta relación, en conducciones de tuberías plásticas ocurre un golpe de ariete de menor valor.  Fabricación de tubos la sobrepresión admitida.

con

espesor

aumentado,

teniendo

en

cuenta

 Reducción de la variación del gasto Q en la tubería. También se pueden aplicar en las instalaciones hidráulicas sistemas para reducir los golpes de ariete:  Cierre lento de válvulas o registros. Construcción de piezas que no permitan la obstrucción muy rápida.  Empleo de válvulas o dispositivos mecánicos especiales. Válvulas de alivio, válvulas antiretorno, cuyas descargas impiden valores excesivos de presión.

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 Construcción de pozos de oscilación, capaces de absorber los golpes de ariete, permitiendo la oscilación del agua. Esta solución es adoptada siempre que las condiciones topográficas sean favorables y las alturas geométricas pequeñas. Los pozos de oscilación deben ser localizados tan próximos como sea posible de la casa de máquinas. 2.5.4 Cámara de aire Es uno de los dispositivos más utilizados para el control de transitorios, particularmente para la protección de instalaciones de bombeo frente al transitorio originado por el fallo del suministro eléctrico. Consiste en un depósito cerrado, unido a la tubería y que en su parte superior tiene comprimido un volumen de aire. Durante el trabajo normal en régimen permanente el aire en la cámara está comprimido a una presión igual a la presión del agua dentro de la tubería, no existiendo flujo entre la cámara y la tubería. Al bajar la presión dentro de la tubería, surge un flujo desde la cámara. A la tubería entra un gasto que reduce las depresiones del transitorio. El volumen de aire dentro de la cámara se expande y su presión disminuye. Al subir posteriormente la presión en la tubería se genera un flujo hacia la cámara. El gasto que fluye hacia la cámara alivia las sobrepresiones en la tubería, el aire dentro de la cámara, disminuye su volumen y su presión aumenta (el aire se comprime). De esta manera, inmediatamente después del fallo en el suministro eléctrico de las bombas, la cámara de aire se convierte en una fuente de energía que tiende a mantener el movimiento del fluido en la conducción. El caudal en la tubería se reduce de una forma controlada y mucho más lenta de lo que ocurriría sin la presencia de la cámara. Se trata pues, de convertir un transitorio rápido en un fenómeno de oscilación en masa. 2.5.6 Volante de inercia Consiste en incorporar a la parte rotatoria del grupo de impulsión un volante cuya inercia retarde la pérdida de revoluciones del motor y, en consecuencia, aumente el tiempo de parada de la bomba, con la consiguiente minoración de las sobrepresiones.

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3. Condiciones de Succión La succión o aspiración consiste en la acción de atraer un líquido hasta la tubería o una cámara de bombeo mediante la producción de un vacío parcial, esto es, reduciendo la presión por debajo de la atmosférica. La presión atmosférica, sobre la superficie libre del agua contenida en un pozo, obliga al agua a subir y a desplazarse hasta aquella parte de la bomba en la que se ha desarrollado una presión menor.

3.1

Succión positiva

El nivel del líquido en el depósito que se bombeará está por arriba de la línea de centro de la succión de la bomba, por lo tanto la cabeza estática de succión tiene un valor positivo.

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Succión Negativa El nivel del líquido en el depósito que se bombeará, está por debajo de la línea de centro de la succión de la bomba, por lo tanto la cabeza estática de succión tiene un valor negativo.

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3.3

Cabeza de succión neta positiva NPSH (Net Positive Suction Head)

La NPSH se define como la presión estática a la que debe ser sometido un líquido, para que pueda fluir por sí mismo a través de las tuberías de succión y llegar a inundar los álabes en el orificio de entrada del impulsor de una bomba. Se distingue entre el NPSH requerido y el NPSH disponible. 3.3.1 NPSH Requerido (NPSH de la bomba) El valor solamente depende de las características de la bomba y no de las de la instalación. Es variable para cada bomba en función del caudal y del número de revoluciones y es siempre positivo. Este dato da una indicación acerca de la capacidad de aspiración de una bomba: cuanto menor es el valor , tanto mayor es su capacidad de aspiración. 3.3.2 NPSH Disponible (NPSH de la instalación) Es la presión abastecida por el sistema hidráulico externo a la bomba y depende, exclusivamente, de las características hidráulicas de la red externa de succión conectada a la bomba. Para que la instalación opere satisfactoriamente, sin fallas hidráulicas ni mecánicas, el NPHS disponible en el sistema deberá ser mayor por lo menos en 0.50 metros al NPSH requerido por la bomba. Al seleccionar una bomba, es suficiente para el fabricante conocer el valor poder garantizar el perfecto funcionamiento de una instalación de bombeo. El NPSH disponible se calculará de la siguiente manera:

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, con el fin

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Presión atmosférica Disminución de la presión atmosférica Altura sobre el nivel del mar Presión atmosférica Mts Fts mts Psi 0 0 10.33 14.69 250 820 10.03 14.26 500 1640 9.73 13.83 750 2640 9.43 13.41 1000 3280 9.13 12.98 1250 4101 8.83 12.55 1500 4291 8.53 12.13 1750 5741 8.25 11.73 2000 6561 8.00 11.38 2250 7381 7.75 11.02 2500 8202 7.57 10.68 2750 9022 7.28 10.35 3000 9842 7.05 10.02 3250 10662 6.83 9.71 3500 11483 6.62 9.42 3750 12303 6.41 9.12 4000 13123 6.20 8.82 4250 13943 5.98 8.52 4500 14764 5.78 8.22

Presión de vapor El agua hierve cuando la presión de vapor de agua alcanza la presión atmosférica. La presión de vapor de agua aumenta con la temperatura, hasta igualar 1 bar a 100ºC a nivel del mar. Por lo tanto hay dos maneras para hacer hervir el agua. Primero, la más común, se puede aumentar la temperatura del agua hasta 100º C. Segundo, más exótica, se puede poner el agua en una cámara de vacío y luego evacuar el aire con una bomba de vacío. Indudablemente llegará el momento que la presión atmosférica en la cámara llega a ser igual a la presión de vapor de agua y ésta hervirá. Ejemplo: A una presión de 0.2 m (0.02bares) el agua se evapora a una temperatura aproximada de 18°C.

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Presión de vapor Temperatura (°C) mts 0 0682 5 0.089 10 0.125 15 0.174 20 0.238 25 0.323 30 0.432 35 0.573 40 0.752 45 0.977 50 1.258 55 1.605 60 2.031 70 3.177 75 3.931 80 4.829 85 5.894 90 7.149 95 8.619 100 10.33

Pérdidas por fricción en la tubería de succión Fórmula de Hazen-Williams

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PSI 0.088 0.127 0.178 0.247 0.338 0.459 0.614 0.815 1.070 1.389 1.789 2.283 2.889 4.519 5.591 6.869 8.383 10.168 12.259 14.696

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Pérdidas locales en los accesorios

Longitud Equivalente por Accesorios Accesorio TEE Codo 90° Codo 60° Codo 45° Y 45° Válvula de globo Válvula ángulo Válvula Check Válvula Mariposa Reducción Excéntrica Expansión Concéntrica

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Longitud Equivalente (K) 50D 30D 25D 18D 60D 350D 180D 100D 150D 6D 12D

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4. Cavitación 4.1

Cavitación en bombas

Fenómeno por el cual la presión total en la entrada de la bomba (lugar de la más baja presión en todo el sistema) alcanza la presión de vapor del líquido bombeado. El agua hervirá y se formarán burbujas de vapor. Luego el agua y las burbujas son impulsadas hacia afuera por el impulsor a la parte de mayor presión de la bomba donde las burbujas colapsan e implotan originando desprendimiento de materiales. Este colapso es incontrolado y violento y causa daños graves a todo el equipo. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. Para evitar la cavitación, hace falta mantener una presión suficiente, por encima de la presión de vapor, en la entrada de la bomba. El valor necesario es calculado por el fabricante como . Desde el punto de vista de la utilización, hay que asegurarse de que el en el sistema sea superior al .

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4.2

Cavitación en tuberías

La energía total almacenada en el depósito debido a la carga estática acumulada en el mismo es la energía potencial del sistema. Cuando circula un caudal por la tubería horizontal la energía potencial disponible se convierte en:  Energía Cinética  Presión  Pérdidas de carga Debido al estrechamiento de la sección de paso en el punto de regulación, la velocidad del fluido y, por tanto, su energía cinética, aumentan considerablemente y las pérdidas también aumentan de forma apreciable.

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En la “vena contracta” la energía de presión restante, y por tanto la presión local, decrece considerablemente ya que la energía total debe permanecer constante. Si en este punto la presión desciende por debajo de la presión de vapor, el agua puede evaporarse.

Entonces se forman burbujas de vapor, que se deforman al incrementarse la presión y finalmente implotan y desaparecen. La implosión de las burbujas de vapor sigue ciertas direcciones, dependiendo de las condiciones de presión:

En el centro de la Tubería

En las paredes de la Tubería

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Al cambiar de estado gaseoso a líquido, las burbujas de vapor se colapsan súbitamente (implotan) y esto produce que el agua que las rodea se acelere hacia el interior de las mismas formando una especie de hendidura. Esto origina un “Micro-chorro” que golpea las paredes del cuerpo de la válvula o de la tubería a ⁄ ), causando picos de presión de hasta 10,000 bares, lo que muy alta velocidad ( erosiona los materiales a nivel molecular.

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4.3

Métodos de Prevención - Cavitación

4.3.1 Mejora del NPSH disponible De los factores que influyen en el NPSH disponible únicamente se puede actuar sobre dos: 1. La cota, es conveniente situar las bombas lo más cerca posible del nivel de agua de aspiración. Lo ideal sería que estuvieran incluso por debajo. Constructivamente no siempre es fácil y, en ocasiones, hay que llegar a una solución de compromiso. 2. Las pérdidas de carga:  Se debe cuidar que el diámetro de dicha línea nunca sea más pequeño que la conexión de succión de la bomba.  Los accesorios en la tubería de succión como los codos, niples y reducciones deben de instalarse de tal manera de que no permitan la inclusión de burbujas de aire que luego generen la cavitación en las bombas.  Es posible usar diámetros mayores utilizando una reducción excéntrica en la entrada a la bomba.  Se debe minimizar la cantidad de accesorios en la línea de succión y evitar codos en el plano horizontal.  Siempre que sea posible es mejor que la bomba se encuentre por debajo del depósito de fluido, ya que esto contribuye positivamente al NPSH disponible (el término en la ecuación es positivo) y la succión sería positiva.  De preferencia usar las válvulas de compuerta, ya que estas generan menor pérdida de presión que las válvulas de globo cuando se encuentran completamente abiertas.

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4.2.3 Otras medidas para evitar la cavitación Es preferible que la boca de entrada de la tubería en el depósito sea acampanada. Debe estar situada a suficiente profundidad para que no arrastre aire de la superficie libre: se aconseja una profundidad mínima de alrededor de un metro. El fondo debe estar al menos a medio diámetro de la boca, y hay que procurar que el fluido tenga entrada libre por todas las direcciones.

Para evitar la formación de bolsas de aire se suele dar una pequeña pendiente a los tramos horizontales, y las posibles reducciones de sección son excéntricas:

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5. Referencias       

Golpe de ariete - Wikipedia, la enciclopedia libre http://cienciadebolsillo.blogspot.com/2006/03/un-golpe-de-ariete.html http://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3 http://es.scribd.com/doc/52509051/23/NPSH-disponible http://cbs.grundfos.com/BGE_Spain/lexica/HEA_NPSH.html http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Sistemas%20de%20bombeo%20y% 20motores/CURSO%20BASICO%20DE%20EFICIENCIA%20EN%20SISTEMAS%20DE% 20BOMBEO.pdf  GUÍAS PARA EL DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEODE AGUA POTABLE, Lima Perú (PDF)  SISTEMAS DE BOMBEO, UNIVERSIDAD DE OVIEDO, E. T. S. INGENIEROS INDUSTRIALES(PDF)  Práctica de Laboratorio 3 TRANSITORIOS EN INSTALACIONES GOLPE DE ARIETE, Universidad de Navarra Escuela Superior de Ingenieros (PDF)

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6. Anexos Daños- Golpe de Ariete

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Daños - Cavitación

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