Flujo transitorio

Introducción Flujo Transitorio o no permanente Los flujos internos en ductos en general se encuentran en la mayoría de las aplicaciones, desde el suministro de agua potable hasta el transporte de líquidos industriales.

Estos flujos pueden ser continuos o no continuos, uniformes o no uniformes. El fluido puede ser incompresible o compresible, y el material del que están hechas las tuberías puede ser elástico, inelástico, o tal vez viscoelástico.

Introducción Flujo Transitorio o no permanente Los transitorios tienen lugar cuando se ponen en funcionamiento o paran las bombas de una instalación, al abrir y cerrar válvulas, en los procesos de llenado y vaciado de tuberías, es decir, siempre que se

produce una variación brusca en la velocidad del fluido.

Introducción Golpe de ariete La palabra Ariete, designa una máquina militar, utilizado para derribar puertas por medio de golpes reiterados. Por analogía se denomina golpe de ariete al fenómeno que se presenta en las redes de

acueductos, en particular si se cierra rápidamente una válvula produciendo un ruido característico como un "latigazo" que resuena, hasta apagarse del todo.

Introducción Golpe de ariete El golpe de ariete también se da en caso de cierre gradual de una válvula aunque en menor intensidad. también hay un golpe de ariete "al revés" (gran depresión cuando repentinamente se abre una válvula).

Introducción Golpe de ariete Audio de un Golpe de Ariete: http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-waterhammer.html

Introducción Teoría de la columna rígida Esta teoría asume que las paredes de la tubería son rígidas, y que la columna de agua es incompresible. Es decir, considera al agua y a la tubería indeformables.

Para el caso de tuberías del mismo diámetro, al considerar la elasticidad de la tubería y del fluido nula, cualquier cambio de

velocidad que sufra ocurre instantáneamente en cualquier lugar de la tubería y al mismo tiempo.

Introducción Teoría de la columna rígida Esta teoría está basada en las siguientes hipótesis simplificadoras:  El conducto permanece lleno de agua todo el tiempo y la presión    

mínima en cualquier sección de este siempre es mayor a la presión de vaporización del agua. Las pérdidas de carga por fricción y la carga de velocidad son despreciables en comparación con los cambios de presión en el conducto. Las distribuciones de velocidad y presión en cualquier sección del conducto son uniformes. El nivel del depósito permanece constante durante el tiempo que dura el fenómeno. La carga piezométrica varía linealmente con respecto a la coordenada curvilínea x.

Introducción Teoría de la columna rígida Esta teoría está basada en las siguientes hipótesis simplificadoras:  El conducto permanece lleno de agua todo el tiempo y la presión    

mínima en cualquier sección de este siempre es mayor a la presión de vaporización del agua. Las pérdidas de carga por fricción y la carga de velocidad son despreciables en comparación con los cambios de presión en el conducto. Las distribuciones de velocidad y presión en cualquier sección del conducto son uniformes. El nivel del depósito permanece constante durante el tiempo que dura el fenómeno. La carga piezométrica varía linealmente con respecto a la coordenada curvilínea x.

Introducción Teoría de la columna elástica La teoría de la columna elástica toma en cuenta aspectos más generales que la teoría de la columna rígida. Considera a la tubería elástica y al agua compresible.

Las principales diferencias están en que aquí si se toma en cuenta la fricción, la compresibilidad del líquido, y la deformación de las paredes de la tubería.

Teoría de la columna elástica Esta teoría se acerca más al comportamiento real del fenómeno y ha sido comprobada en laboratorio. Las ecuaciones de continuidad y dinámica en este caso están sujetas a las siguientes hipótesis simplificadoras:

 El conducto permanece lleno de agua todo el tiempo y la

presión mínima en cualquier sección siempre es mayor que la de vaporización del fluido.

Teoría de la columna elástica  Las distribuciones de velocidad y presión en cualquier

sección del conducto son uniformes.  Las ecuaciones para el cálculo de pérdidas de carga

cuando el flujo es permanente, también son válidas

cuando éste es transitorio.

Teoría de la columna elástica  La pared del conducto y el fluido se comportan de una

manera elástica lineal y tienen pequeñas deformaciones.  El incremento de la presión con respecto a la coordenada

curvilínea “x” resulta pequeño comparado con el

incremento de la misma con respecto al tiempo.  El incremento de la carga de velocidad y la densidad del

fluido resulta pequeño comparado con el de la carga piezométrica.

Índice  Flujo transitorio en tuberías  Tipos de Transitorios  Descripción del fenómeno  Glosario  Cuestionario  Experiencias

 Bibliografía

Flujo transitorio Flujo Transitorio es aquel que se presenta cuando cesa repentinamente el flujo o cuando en forma abrupta se

inicia el flujo en un conducto cerrado, dando origen a lo que comúnmente se conoce como golpe de ariete.

Un flujo es transitorio cuando sus características hidráulicas, presión (p), velocidad (v) y caudal (q), dependen del espacio y del tiempo.

Tipos de transitorios La naturaleza de los transitorios viene definida por la rapidez e intensidad con la que se producen las causas que los provocan.

Los transitorios se pueden dividir en Suaves y Bruscos:

Tipos de transitorios  Transitorios suaves: suelen estar producidos por

variaciones

lentas

de

las

condiciones

de

funcionamiento tales como la variación de los

consumos o de las alturas de los depósitos de la instalación o por aperturas o cierres lentos de las

válvulas. En estos transitorios se consideran el fluido incompresible y las tuberías rígidas.

Tipos de transitorios

 Transitorios bruscos: también denominados Golpes

de Ariete, están producidos por variaciones muy rápidas de las condiciones de funcionamiento de la instalación. Un ejemplo es el transitorio producido por

la desaceleración del fluido consecuencia del cierre rápido de una válvula.

Descripción del fenómeno Aducción por gravedad desde un depósito de altura

constante.

El

proceso

que

acontece

en

la

conducción

inmediatamente después de cerrarse la válvula se caracteriza por una transformación alternativa cíclica de la energía cinética del fluido en energía elástica que almacenarán tanto el fluido como las paredes de la

propia tubería en forma de presión.

Transitorio en tuberías La descripción física del transitorio originado por la válvula se entiende en cuatro fases claramente diferenciadas. Dichas fases

del transitorio se

caracterizan por un permanente intercambio de energía cinética y energía elástica.

Transitorio en tuberías Para la descripción física del fenómeno se despreciarán efectos tales como la fricción de la conducción. Esto supone, de hecho, admitir que las oscilaciones de presión que se originan tras el cierre de la válvula no sufren amortiguamiento alguno.

Transitorio en tuberías

„Con esta consideración, y despreciando la altura cinética del fluido V0²/(2g) se obtiene que la altura piezométrica en el instante inicial, antes de cerrarse la válvula, es una línea horizontal trazada desde el nivel de agua en el depósito.

Primera fase del transitorio  Cuando se produce el cierre de la válvula la sección

de fluido inmediatamente aguas arriba de la válvula

se detiene súbitamente, convirtiendo su energía cinética (debida a la velocidad V0 que tenía) en energía de presión (aparece una sobrepresión de valor ΔH sobre el valor de la piezométrica de régimen)..

Primera fase del transitorio  Mientras tanto el depósito no ha detectado todavía la detención del

fluido en el extremo aguas abajo de la conducción, por lo que continua aportando fluido al sistema. En estas condiciones, pues, viaja una onda sobrepresiva hacia el depósito que además va deteniendo el fluido. Si tal perturbación se propaga con una velocidad de valor a, al cabo de un tiempo L/a (siendo L la longitud del conducto) toda la tubería se encuentra bajo los efectos de la sobrepresión de valor ΔH y con el fluido en reposo.

 La energía cinética del fluido se ha transformado en un gradiente de

presiones.

Primera fase Al finalizar la primera fase del transitorio se encuentra una

situación claramente inestable: la presión constante en el interior del depósito es inferior a la de la tubería, sometida a los efectos de la sobrepresión derivada de la detención del

fluido.

Segunda fase del transitorio  Lo que se produce en este momento es un nuevo intercambio entre

energía elástica almacenada en forma de presión y energía cinética. En ausencia de pérdidas energéticas, este intercambio origina la aparición de una velocidad –V0 a cambio de una reducción de la presión de valor ΔH. En estas condiciones se dispone del fluido circulando a la velocidad de régimen, si bien en dirección contraria, y la presión igual a la que se tenía antes de comenzar el transitorio.

Segunda fase del transitorio  Esta fase, además, comienza en el depósito y progresivamente va

extendiéndose hacia la válvula al resto de la conducción. Se trata en definitiva del progreso de una onda de presión negativa que origina una reducción de la presión a cambio de un aumento de la velocidad de circulación del fluido hacia el depósito.



El estado final de la misma, al cabo de 2L/a segundos de iniciarse el transitorio, es un nivel de presiones igual al estado inicial, si bien con un sentido de circulación del fluido inverso al inicial.

Segunda fase El sistema tiende a restablecer el equilibrio mediante el inicio de un retroceso del fluido hacia el depósito.

Tercera fase del transitorio  El inicio de la tercera fase es una consecuencia de la situación

inestable del final de la segunda fase: la falta de aporte de fluido que se experimenta cuando la conducción tiene una velocidad -V0 y la

situación cerrada de la válvula. En estas condiciones, el sistema responde intentando compensar la falta de aporte de fluido con la generación de una depresión aguas arriba de la válvula que provoca

la detención del fluido. Es decir se vuelve a producir un intercambio entre energía cinética del fluido y energía elástica en forma de presión.

Tercera fase del transitorio  De nuevo, en ausencia de pérdidas, la anulación completa de la

velocidad en las proximidades de la válvula se consigue a cambio de una reducción del nivel de presiones en la misma de valor ΔH. Esta

situación no se mantiene únicamente en las proximidades de la válvula, sino que se extiende hacia el resto de la conducción hacia el depósito. Se trata de nuevo de una onda depresiva que reduce el

valor de la presión a su paso a cambio de anular de nuevo la velocidad en la conducción. Al cabo de 3L/a segundos esta onda llega al depósito, concluyéndose así los efectos de la tercera fase del transitorio.

Tercera fase El inicio de la tercera fase es una consecuencia de la situación inestable del final de la segunda fase.

Cuarta fase del transitorio  Se trata de una situación en la que existe un gradiente de presiones

entre la tubería y el depósito: el nivel de presiones en el depósito es superior al nivel de presiones en la conducción. Este desequilibrio se corrige compensándose éste en presión y aumentando en consecuencia la velocidad en la conducción. Es decir, se produce un nuevo intercambio energético entre energía elástica y energía cinética: la presión, en ausencia de pérdidas aumenta en ΔH y por el contrario la velocidad adquiere su valor inicial V0 circulando desde el depósito hacia la válvula.

Cuarta fase del transitorio

 Este fenómeno hace que aparezca una onda de presión positiva que

viaja desde el depósito hacia la válvula que a su paso va acelerando el fluido y al mismo tiempo recuperando la depresión ΔH que tenía la conducción respecto del depósito. Al cabo de 4L/a segundos de iniciarse el transitorio esta cuarta onda de presión, característica de la cuarta fase del transitorio, llega a la válvula, encontrándose en la

situación inicial del comienzo de la primera fase.

Cuarta fase La cuarta y última fase del primer ciclo del transitorio la origina la situación energéticamente desequilibrada en las proximidades del depósito originada por la onda de presión característica de la tercera fase.

Cuarta fase Golpe de ariete / transitorio  La última de estas secuencias (final de la cuarta fase) coincide

con la primera de todas (inicio de la primera fase). Así, de nuevo comienza el proceso que se repetiría cíclicamente en ausencia de pérdidas.  La presencia de las pérdidas hace que estos ciclos no se repitan

indefinidamente, sino que progresivamente vayan amortiguándose hasta alcanzar el valor final de régimen permanente.

Casos en los que se puede producir el fenómeno Existen diversas maniobras donde se induce el fenómeno:

• Cierre y Apertura de Válvulas. • Arranque de Bombas. • Detención de Bombas. • Funcionamiento inestable de bombas. • Llenado inicial de tuberías. • Sistemas de Protección contra Incendios.

Casos en los que se puede producir el fenómeno En general, el fenómeno aparecerá cuando, por cualquier causa, en una tubería se produzcan variaciones de velocidad y, por consiguiente, en la presión.

Como puede observarse del listado anterior todos estos fenómenos se

producen en maniobras necesarias para el adecuado manejo y operación del recurso, por lo que debemos tener presente que su frecuencia es importante y no un fenómeno eventual.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. 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. Este sistema crea una serie de problemas mecánicos, mayores cuanto mayor sea el peso del volante.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Chimeneas de equilibrio Consiste en una tubería de diámetro superior al de la tubería, colocada verticalmente y abierta en su extremo superior a la atmósfera, de tal forma que su altura sea siempre superior a la presión de la tubería en el punto donde se instala en régimen permanente. Este dispositivo facilita la oscilación de la masa de agua, eliminando la sobrepresión de parada, por lo que sería el mejor sistema de protección si no fuera pos aspectos constructivos y económicos. Sólo es aplicable en instalaciones de poca altura de elevación.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Calderín Consiste en un recipiente metálico parcialmente lleno de aire que se encuentra comprimido a la presión manométrica. Existen modelos en donde el aire se encuentra aislado del fluido mediante una vejiga, con lo que se evita su disolución en el agua. El calderín amortigua las variaciones de presión debido a la expansión prácticamente adiabática del aire al producirse una depresión en la tubería, y posteriormente a la compresión, al producirse una sobrepresión en el ciclo de parada y puesta en marcha de una bomba. Su colocación se realiza aguas debajo de la válvula de retención de la bomba. Se instala en derivación y con una válvula de cierre para permitir su aislamiento.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de alivio rápido Son de dispositivas que permiten de forma automática y casi instantánea la salida de la cantidad necesaria de agua para que la presión máxima en el interior de la tubería no exceda un valor límite prefijado. Suelen proteger una longitud máxima de impulsión el orden de 2 km. Los fabricantes suelen suministrar las curvas de funcionamiento de estas válvulas, hecho que facilita su elección en función de las características de la impulsión.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas anticipadoras de onda Están diseñadas para que se produzca su apertura en el momento de parada de la bomba y en la depresión inicial, de tal forma que cuando vuelva a la válvula la onda de sobrepresión, ésta se encuentre totalmente abierta, minimizando al máximo las sobrepresiones que el transitorio puede originar. Ventosas Permiten la eliminación del aire acumulado en el interior de la tubería, admisión de aire cuando la presión en el interior es menor que la atmosférica y la eliminación del aire que circula en suspensión en el flujo bajo presión

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención Estas válvulas funcionan de manera que sólo permiten el flujo de agua en un sentido, por lo que también se conocen como válvulas anti-retorno. Entre sus aplicaciones se puede señalar: · En impulsiones, a la salida de la bomba, para impedir que ésta gire en sentido contrario, proteger la bomba contra las sobrepresiones y evitar que la tubería de impulsión se vacíe. · En impulsiones, en tramos intermedios para seccionar el golpe de ariete en tramos y reducir la sobrepresión máxima. · En hidrantes, para impedir que las aguas contaminadas retornen a la red. · En redes de distribución con ramales ascendentes, para evitar el vaciado de la mismas al detenerse el flujo.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención tipo clapeta Sus limitaciones son: · No se pueden instalar verticalmente cuando la corriente va hacia abajo. · No funcionan correctamente cuando la velocidad del agua sobrepasa los 1.5 m/s. · No funcionan correctamente cuando las presiones estáticas empiezan a ser elevadas. Si se trabaja con más de 3 atmósferas de presión, conviene asegurarse de la fiabilidad de la válvula de clapeta simple que se trate de elegir. · No funcionan correctamente cuando las sobrepresiones del golpe de ariete empiezan a ser importantes. En ocasiones, la presión estática puede ser baja, pero una gran longitud de la tubería puede dar lugar a golpes de ariete excesivos para ciertas válvulas de retención. · No funcionan correctamente cuando los caudales son importantes. · Su funcionamiento es incorrecto cuando se cierran bruscamente, produciendo vibraciones que pueden dañar las tuberías y otras válvulas.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención tipo clapeta simple Son de fácil construcción. El disco se levanta por acción del agua hasta unos noventa grados. Su cierre suele ser muy brusco y entonces produce un golpetazo que repercute en las tuberías y en otros elementos adyacentes y puede originar un fuerte golpe de ariete.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención tipo clapeta simple con contrapeso. Aminora en cierta medida la brusquedad en el cierre.

Válvulas de retención tipo clapeta simple con corto recorrido de clapeta. Supone una mejora extraordinaria en la válvula simple, pues al tener la clapeta un menor recorrido no produce apenas golpetazo y puede admitir velocidades y presiones mayores.

Esta válvula se puede utilizar también con aguas sucias.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención tipo clapeta simple con sistema amortiguador y contrapeso. Supone una mejora sobre las anteriores. El contrapeso permite regular in situ la cadencia del cierre hasta optimizarla. El amortiguador deja que la válvula se cierre en un 90 % antes de empezar a actuar, y de esta manera, el 10 % final del recorrido de la clapeta está controlado.

Esta es una de las pocas válvulas de retención que se pueden emplear con aguas negras. La máxima velocidad admisible es del orden de 2 m/s y puede permitir presiones de hasta 10 ó 20 atmósferas, dependiendo de los materiales de su construcción.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención con clapeta de eje semicentrado Es la válvula de clapeta que se puede considerar más fiable. En las anteriores, la clapeta gira por medio de una bisagra colocada en su extremo, mientras que en esta válvula la clapeta gira en dos semiejes descentrados que evitan que se produzca golpetazo. Es la que produce menos pérdida de carga, son de coste más bien elevado y no se deben usar con aguas negras.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención de semiclapeta doble o de disco partido. La clapeta o disco se ha partido en dos y las bisagras se colocan en un eje centrado. Los semidiscos van ayudados en el cierre por unos muelles, pero a pesar de ello, no se deben colocar para flujos verticales hacia abajo. No suele dar golpetazo si está debidamente diseñada y construida con los materiales adecuados. Admite velocidades de hasta 5 m/s y puede construirse para grandes presiones. Suele venderse para ser encajada entre dos bridas, al no disponer de bridas propias.

Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete. Válvulas de retención de disco sobre eje longitudinal centrado. Las características de estas válvulas de retención, también conocidad como válvulas de retención Williams–Hager, permiten las siguientes aplicaciones: · Son recomendables cuando se esperen presiones de trabajo elevadas o cuando se puedan producir fuertes sobrepresiones por golpe de ariete. · Admiten velocidades del flujo de agua de hasta 3 m/s. · Se pueden colocar en cualquier posición, incluso verticalmente, cuando se quiera que retengan flujos de agua dirigidos hacia abajo. · Se deben colocar exclusivamente en instalaciones de aguas limpias, nunca en aguas negras.

Daños ocacionados por golpe de ariete

Glosario de términos  Golpe de Ariete: Se denomina golpe de ariete a la oleada de presión

que se produce cuando el flujo de agua a través de una manguera o de una tubería se detiene de repente.  Altura piezométrica: si a una tubería por donde circula un fluido le

agregamos una serie de derivaciones verticales, el agua que circula llenará estas tuberías verticales hasta una altura determinada en cada caso, en función de la presión existente en cada uno de los puntos de la conducción principal. Uniendo el nivel de agua en cada una de estas derivaciones, obtenemos la llamada línea piezométrica.

Glosario de términos  Altura cinética: es la altura existente entre el nivel máximo del agua

que ha subido por la derivación vertical hasta el final de dicha derivación. Depende de la velocidad y aceleración que adquiera el agua desde la conducción principal.  Material viscoelástico (tipo de tubería): es un material que presenta

tanto propiedades viscosas como elásticas.  Compresibilidad: es básicamente una medida en el cambio de la

densidad.  Caudal: es la cantidad de fluido que avanza en una unidad de tiempo.

Línea piezométrica

Evaluación 1.¿ Es posible la compresibilidad de los líquidos? R= Si, bajo condiciones de temperatura y presión normales son difíciles de comprimir sin embargo al variar estas condiciones pueden llegar a ser compresibles (presión de 1000 atmósferas).

2.¿Cuál es la teoría que considera al agua y a la tubería indeformables? R= Teoría de la columna rígida.

3.Menciona los tipos de flujo transitorios. R= Transitorios suaves y bruscos.

4.¿Cuáles son las características hidráulicas de un flujo transitorio? R= Presión, velocidad y caudal.

5.Señala algunos casos en donde se puede producir el fenómeno. R= Cierre y apertura de válvulas, arranque de bombas, detención de bombas, funcionamiento inestable de bombas, llenado inicial de tuberías, entre otros.

Videos de flujo multifásico

Bibliografía  David Hernández Hueramo. (2013). Manual de prácticas

4osemestre Hidráulica de conductos a presión. 12 de mayo de 2014, de Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Sitio web: http://hidraulica.umich.mx/laboratorio/images/man_pdf/ 4o/4_p5.pdf  Hugo Amado Rojas Rubio. (2013). Curso de Mecánica de Fluidos II. 13 de mayo de 2014, de Universidad Nacional del Santa Sitio web: http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzo z/tuberias_manual.pdf