Golpe de Ariete

Universidad Nacional Hermilio Valdizan CURSO: Mecánica de Fluidos II DOCENTE: Pablo Salgado Zevallos TEMA: Golpe de Ariete INTEGRANTES:

1. MARTEL BENITES, Gerson Jorohin 2. VICTORIO BEJARANO, Kenedy 3. JIMÉNEZ FERNÁDEZ, Ingrid Angélica

GOLPE DE ARIETE DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO, CÁLCULOS Y PREVENCIÓN.

CONCEPTO PREVIOS • FENOMENO TRANSITORIO: es aquel fenómeno de variación de presión que se produce en Líneas de Conducción o Líneas de Impulsión, esta variación de presión esta relacionado con la variación de velocidad del escurrimiento. • Se pueden distinguir dos fenómenos: La Cavitación y El Golpe de Ariete.

DETENCION DEL FLUJO DEL FLUIDO

GOLPE DE ARIETE

GENERANDO

SOBREPRESION Y DEPRESION

BAJAS PRESIONES LOCALES

GENERANDO CAVITACION

VAPORIZACION DEL FLUIDO

GOLPE DE ARIETE • Ocurre en un repentino cambio de velocidad de un flujo en una tubería, esto implica el detenimiento de una porción de masa de agua en la tubería. • El resultado de este cambio de velocidad de la masa de agua, genera una sobrepresión en la tubería, sobrepasando, incluso, el valor de la presión estática en la tubería. • Esta sobrepresión se extenderá a lo largo de la tubería a una velocidad determinada conocida como celeridad o velocidad de onda de presión.

GOLPE DE ARIETE Choque Hidráulico

Cambio repentino de:

Dirección del flujo

Velocidad del Flujo

Incremento momentán eo de Presión

Sobrepresi ones

Depende de: • • • •

La velocidad media del flujo de la tubería. La longitud de la tubería. El tiempo necesario para cerrar la válvula. Las propiedades elásticas del material de la tubería y la del agua.

CAUSAS DEL GOLPE DE ARIETE • • • •

Apertura o Cierre de una válvula. Arranque o Detención de una bomba de impulsión. Funcionamiento inestable de Bombas. Llenado inicial de tuberías.

EFECTOS DEL GOLPE DE ARIETE • Produce daños y rompimiento de tuberías a causa de las excesivas presiones generadas. • Además causa daños a los mecanismos de control como válvulas, turbinas, bombas.

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO GOLPE DE ARIETE • Consideraremos que se produce un cierre instantáneo de una válvula (T cierre = 0). • Despreciaremos las perdida de carga por fricción en las tuberías. • El fluido es Compresible, es decir, se comprime. • El material de la tubería es Elástica.

(1)

EL FLUJO DE UN INSTANTE ANTES DEL CIERRE DE LA VALVULA

(2)

SE PRODUCE EL CIERRE INSTANTANEO DE LA VALVULA

ENTONC ES

ENERGIA CINETICA SE TRANSFORMA EN ENERGIA POTENCIAL

(3)

  SE PROPAGA LA ONDA DE PRESION DESDE LA VALVULA

ENTONC ES

LA TUBERIA SUFRE UNA SOBREPRESION. POR LO TANTO SE DILATA.

(4)

LA ONDA DE   PRESION LLEGA AL EMBALSE

ENTONC ES

TODA LA TUBERIA ESTA DILATADA.

(5)

 

LA ONDA DE PRESION RETORNA AL EMBALSE

ENTONC ES

LA TUBERIA VA RETORNADO A SU ESTADO INICIAL

(6)

 

LA ONDA DE PRESION LLEGA A LA VALVULA

ENTONC ES

EL FLUIDO RETORNA HACIA EL EMBALSE

(7)

 

LA ONDA DE PRESION VA HACIA EL EMBALSE

ENTONC ES

LA TUBERIA SUFRE UNA DEPRESION, POR LO TANTO SE CONTRAE

(8)

LA ONDA DE   PRESION LLEGA AL EMBALSE

ENTONC ES

TODA LA TUBERIA SE ENCUENTRA EN DEPRESION

(9)

 

LA ONDA DE PRESION LLEGA A LA VALVULA

ENTONC ES

EL FLUJO DE AGUA VA HACIA LA VALVULA, RETORNANDO A LA SITUACION INICIAL

( 10 )

  LA ONDA DE PRESION LLEGA A LA VALVULA

ENTONC ES

TODA LA TUBERIA SE ENCUENTRA SU ESTADO INICIAL ( 1 )

• La deformación de la tubería y la viscosidad del fluido disipan energía y, por lo tanto, las oscilaciones se van amortiguando. • En la siguiente figura: El fenómeno que se ha descrito sería similar al que ocurre cuando la máquina de tren es detenida instantáneamente.

VIDEO 1

VIDEO 2

SIMILITUD DEL GOLPE DE ARIETE

TIEMPO DE CIERRE 1. CIERRE INSTANTANEO:

•  Concepto teórico. • Caso mas desfavorable. • Se produce el máximo Golpe de Ariete.

TIEMPO DE CIERRE 2. CIERRE RAPIDO O CIERRE BRUSCO:

•   Donde: • Sobrepresión idéntica al caso de cierre instantáneo • Se produce el Golpe de Ariete

TIEMPO DE CIERRE 3. CIERRE LENTO: •   Donde: • Disminuye la presión máxima. • Golpe de Ariete causa menos daños.

U: VELOCIDAD DEL FLUJO

  CUANDO SE TIENE UN TIEMPO DE CIERRE BRUSCO DE LA VALVULA ( ), SE GENERA EL DIAGRAMA DE PRESIONES DE LA FIGURA

U: VELOCIDAD DEL FLUJO

  DIAGRAMA DE PRESIONES PARA LOS TIEMPOS DE CIERRE BRUSCO DE LA VALVULA ( ),

U: VELOCIDAD DEL FLUJO

  CUANDO SE TIENE UN TIEMPO DE CIERRE LENTO DE LA VALVULA ( ), SE GENERA EL DIAGRAMA DE PRESIONES DE LA FIGURA

EJEMPLOS DE GOLPE DDE ARIETE

EJEMPLO 1 EJEMPLO 2 EJEMPLO 3

Cómo calcular el golpe de ariete Como recordarás, el golpe de ariete no es más que una oscilación que se produce en el fluido interior de una conducción a presión la cual provoca en su interior sobrepresiones y depresiones, las cuales hay que conocer para evitar que produzcan daños en las tuberías. Así, en resumen, calcular el golpe de ariete no es más que calcular un incremento de presión… pero para ello debes conocer previamente tres características de la instalación que estés estudiando…

¿Cuál es la frecuencia de propagación de la onda de presión? Como cualquier efecto oscilatorio el fenómeno del golpe de ariete presenta una frecuencia en la que se repite una situación, en este caso la sobrepresión o depresión de la onda que se desplaza de un extremo al otro de la instalación. La frecuencia no es más que el inverso del periodo, que es el tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la onda, es decir entre dos máximos o dos mínimos… con lo cual el periodo (y la frecuencia) dependerán de lo larga que sea la conducción de la instalación y de su celeridad, que es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua del interior de la tubería. De este modo, hay que calcular la siguiente relación:

L, será la longitud total (en m) de la conducción de la instalación a estudiar, mientras que el parámetro a representa la celeridad de la conducción (en m/s), la cual depende de las características físicas de la misma: material y dimensiones. La celeridad se calcula con la siguiente expresión:

en la que D es el diámetro de la conducción (en mm). e, es el espesor (en mm) y K un coeficiente representativo de la elasticidad del material de la conducción, y que es función del módulo de elasticidad del mismo (en kg/m2) a través de la expresión:

en la que ε es el módulo de elasticidad del material de la conducción, cuyos valores de referencia son los siguientes:

en la que ε es el módulo de elasticidad del material de la conducción, cuyos valores de referencia son los siguientes:

¿Cuál es el tiempo de parada del agua? La siguiente característica de la instalación a determinar es el tiempo que dura la variación de velocidad, es decir, el que transcurre desde el corte de energía y la anulación del caudal o el tiempo de parada del agua. A partir de estudios teóricos y experimentales, el doctor Enrique Mendiluce propuso una expresión que es la que se usa comúnmente para establecer ese tiempo de parada del agua, principalmente para impulsiones, y que es la siguiente:

en la que L. es la longitud de la conducción de la instalación (en m), V es la velocidad de circulación del agua en la instalación (en m/s), g es la gravedad, Hm es la altura manométrica de la instalación, y C y K son coeficientes de ajuste determinados experimentalmente, y que responden a las siguientes relaciones gráficas:

C y K son coeficientes de ajuste determinados experimentalmente, y que responden a las siguientes relaciones gráficas:

El coeficiente K representa la inercia del equipo de bombeo, en función de la cinética del agua, en el instante del corte de energía, y cuyos valores redondeados recomendados para una mayor facilidad de aplicación de la fórmula son los siguientes:

El coeficiente C suple el efecto de otras energías en el cálculo (como la de descompresión del agua, por ejemplo) y que influyen en instalaciones de pendientes bajas. En función de la pendiente hidráulica de la instalación, se recomiendan los siguientes valores.

¿Cuál es la longitud crítica de la instalación?

En relación con la velocidad de propagación de la onda y el tiempo de parada del agua, puede determinarse una tercera característica de la instalación: su longitud crítica, la cual es sencilla de obtener a través de la expresión… donde T es el tiempo de parada (en s) y a la celeridad (en m/s).

Ahora ya se puede calcular el golpe de ariete

¿Y por qué es necesario saber de antemano la frecuencia de propagación de la onda de presión, el tiempo de parada del agua y la longitud crítica de la instalación? Pues porque en función de la relación entre esas variables se procederá a calcular el golpe de ariete, en definitiva el incremento de presión, mediante una fórmula u otra…

Para tiempos de parada o maniobras de cierre lentos o instalaciones cortas…

Esto significa que el tiempo de parada del agua es mayor que la frecuencia (o periodo) de propagación de la onda, o que la longitud de la instalación es menor que la longitud crítica. Para este caso la fórmula que se aplica para calcular el golpe de ariete y obtener el incremento de presión producido es la propuesta por Michaud:

En este caso, la presión máxima se dará única y exclusivamente en el ámbito del elemento que ha generado el golpe de ariete (en la válvula de cierre o en la válvula antirretorno del bombeo), y en ningún punto más de toda la longitud de la instalación se dará esa presión máxima.

Para tiempos de parada o maniobras de cierra rápidos o instalaciones largas…

Es decir, en aquellas en las que el tiempo de parada del agua es menor que el periodo de propagación de la onda, o que su longitud es mayor que la longitud crítica. En esta circunstancia aplicará la fórmula de Allievi para valorar el incremento de presión:

Aquí la presión máxima se dará en algún punto a lo largo de la conducción que quede fuera del tramo de la instalación incluida en la longitud crítica. Como ves, en este caso el incremento de presión no depende de la longitud…

Ejemplo: Se tiene una conducción de agua con tuberías de acero de 3250m cuyas características son: diámetro exterior de 1216mm, espesor 12mm , donde la altura geométrica del embalse es de 47mca, las perdidas lineales son de 5mca y las perdidas locales son de 0.75mca, caudal de 1250l/s. ¿Determine el golpe de ariete ? paso 1 calculo de la velocidad y la pendiente  

         

paso 2 calculo del coeficiente de elasticidad, aceleridad y la frecuencia de propagación de onda

 

 

 

paso 3 calculo del tiempo de parada

 

 

s

   

 

paso 4 calculo de la longitud critica

 

   

paso 5 por ultimo calculamos la sobre presión del golpe de ariete

 

 

CONSECUENCIAS • Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos. (válvulas, grifos, etc.)* • El golpe de ariete 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.

FUENTE: *http://ingenieriareal.com/golpe-de-ariete/

ACCIDENTE CATASTRÓFICOS A CAUSA DEL GOLPE DE ARIETE 1. Planta hidroeléctrica de Sayano-Shushenskaya, Rusia Esta planta hidroeléctrica es la más grande de Rusia tiene una caída hidráulica de 245 metros y una represa de un kilómetro de ancho. La planta tiene 10 turbinas que producen 650 Mega watts cada una y funcionan con un flujo de 359 metros cúbicos por segundo cada una. En agosto del 2009 ocurrió un accidente provocado por un golpe de ariete en una de las turbinas. Ocurrió un cierre rápido el cual causo sobrepresiones que ocasionaron que una de las turbinas explotara y saliera de su base. Se cree que este cierre rápido se debía a un tronco que estaba en la tubería y al llegar a una de las turbinas la tapo causando el accidente. Esto a su vez causo que se inundara el cuarto de las turbinas ocasionando que los sistemas eléctricos y todas las otras turbinas fallarán. Todas las turbinas se dañaron a causa de esto, solo una turbina recibió daños menores a las demás ya que estaba desconectada del sistema porque le estaban dando mantenimiento. En el accidente murieron 75 personas, la planta fue completamente destruida y ocurrió una descarga de aceite hacia el río Yenisei, ocasionando un desastre ambiental de gran magnitud. La reparación total de la planta se estima en más de trescientos millones de dólares. En la figura 7 se muestra una imagen de la planta hidroeléctrica como lucia antes del accidente. Luego del accidente la planta quedo totalmente destruida como se puede observar en la figura 8 donde se ve una turbina que al estallar y salir disparada de su base rompió la losa y a su vez la gran parte de los alrededores.

Planta de Sayano-Shushenskaya antes del accidente

Planta de Sayano-Shushenskaya después del accidente

DISPOSITIVOS PARA CONTRARRESTAR EL GOLPE DE ARIETE • Limitación de la velocidad en la tubería • Válvulas de asiento • Válvulas de alivio • Torres piezométricas • Ventosas de aireación trifuncionales • Volante de inercia • Calderin • Valvulas anticipadoras de onda

 LIMITACION DE LA VELOCIDAD EN LA TUBERÍA • •

Será conveniente que los diámetros sean adecuados para que las velocidades sean más pequeñas. También se pueden utilizar Tuberías con Orientación Molecular (TOM), ya que tiene una alta resistencia hidráulica a los impactos y al GOLPE DE ARITE

 VALVULAS DE ASIENTO

 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. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre.

 VALVULAS DE ALIVIO

 También llamadas válvulas de alivio de presión y válvulas de seguridad.  Diseñada para aliviar la presión cuando un fluido supera un limite preestablecido  Es el componente de un sistema hidráulico que limita la presión que el sistema es capaz de usar.

 VENTOSAS DE AIREACIÓN 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) .  Función 1: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, para evitar que se generen vacíos;  Función 2: 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;  Función 3: 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.

 TORRES PIEZOMÉTRICAS

 Las torres piezométricas o chimeneas de equilibrio son estructuras complementarias en algunas centrales hidroeléctricas y estaciones de bombeo, destinadas a absorber las sobrepresiones y subpresiones causadas por el golpe de ariete en grandes obras hidráulicas.

 VOLANTES 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.

 CALDERIN 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.

 VÁLVULAS ANTICIPADORAS DE ONDA

Estas válvulas están diseñadas para que se produzca su apertura en el momento de parada de la bomba y cuando se produce 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.

REFERENCIAS 1.

El Fenómeno del Golpe de Ariete: Causas, Efectos y Prevención. Prof. Hiram González

2. http://ingenieriareal.com/golpe-de-ariete/ 3. https://es.wikipedia.org/wiki/Golpe_de_ariete 4.

http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/81328-TOM-la-nueva-generacionde-tuberias-de-PVC-orientado-(PVC-O).html