Golpe de Ariete

UNIVERSIDAD VERACRUZANA. FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA. E.E. SISTEMAS DE TRANSPORTE DE FLUIDOS. HORARIO: 11:00-12:00 HRS. DOCENTE: FISICO MANUEL HERNANDEZ VELARDE. EQUIPO: 8 INTEGRANTES: RODRIGUEZ RODRIGUEZ DIANA. SERENA ROMERO FERNANDOALBERTO. TEMA: GOLPE DE ARIETE. FECHA DE ENTREGA: 7 DE OCTUBRE DEL 2013.

1

Índice INTRODUCCION   ..............................................................................................................................

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DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO.  ............................................................................................... 5 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDAD  ............. 5 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO EN IMPULSIONES ......................................................... 6 PROPAGACIÓN DE LA ONDA CON ROZAMIENTO  ................................................................ 7 PRESIÓN DE VACÍO................. ................. ................. .................. ................. ................. ................ 8 VALOR DE LA CELERIDAD. ..........................................................................................................

8

TIEMPO DE CIERRE DE LA VÁLVULA Y TIEMPO DE PARADA DE BOMBAS. CIERRE LENTO Y CIERRE RÁPIDO.  ........................................................................................................ 11 CONDICIONES DE CONTORNO................................................................................................

13

DEPÓSITOS  ...............................................................................................................................

13

VÁLVULAS  ..................................................................................................................................

14

NUDOS  ........................................................................................................................................

14

EXTREMO CERRADO  ..............................................................................................................

15

PÉRDIDAS SINGULARES........................................................................................................

15

BOMBAS  ......................................................................................................................................

15

SOBREPRESIÓN PRODUCIDA POR EL GOLPE DE ARIETE.  ............................................ 16  A) CIERRE LENTO.  ...................................................................................................................

16

B) CIERRE RÁPIDO.   .................................................................................................................

19

MÉTODO PRÁCTICO PARA EL CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE. .................. ............. 22 MÉTODO DE LAS CARACTERÍSTICAS  ...................................................................................

23

MÉTODO GRÁFICO DE BERGERON  .......................................................................................

25

OSCILACIÓN EN MASA  ...............................................................................................................

28

GOLPE DE ARIETE EN LÍNEAS DE DESCARGA  ................................................................... 29 MEDIDAS GENERALES PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETE.  .................................... 30 MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL GOLPE DE ARIETE. ................................. 32 VOLANTE DE INERCIA  ............................................................................................................

32

CHIMENEAS DE EQUILIBRIO  ................................................................................................

32

CALDERÍN................................................................................................................................... VÁLVULAS DE ALIVIO RÁPIDO  .............................................................................................

33 33

VÁLVULAS ANTICIPADORAS DE ONDA   ............................................................................. 33 2

Índice INTRODUCCION   ..............................................................................................................................

4

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO.  ............................................................................................... 5 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDAD  ............. 5 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO EN IMPULSIONES ......................................................... 6 PROPAGACIÓN DE LA ONDA CON ROZAMIENTO  ................................................................ 7 PRESIÓN DE VACÍO................. ................. ................. .................. ................. ................. ................ 8 VALOR DE LA CELERIDAD. ..........................................................................................................

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TIEMPO DE CIERRE DE LA VÁLVULA Y TIEMPO DE PARADA DE BOMBAS. CIERRE LENTO Y CIERRE RÁPIDO.  ........................................................................................................ 11 CONDICIONES DE CONTORNO................................................................................................

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DEPÓSITOS  ...............................................................................................................................

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VÁLVULAS  ..................................................................................................................................

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NUDOS  ........................................................................................................................................

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EXTREMO CERRADO  ..............................................................................................................

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PÉRDIDAS SINGULARES........................................................................................................

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BOMBAS  ......................................................................................................................................

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SOBREPRESIÓN PRODUCIDA POR EL GOLPE DE ARIETE.  ............................................ 16  A) CIERRE LENTO.  ...................................................................................................................

16

B) CIERRE RÁPIDO.   .................................................................................................................

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MÉTODO PRÁCTICO PARA EL CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE. .................. ............. 22 MÉTODO DE LAS CARACTERÍSTICAS  ...................................................................................

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MÉTODO GRÁFICO DE BERGERON  .......................................................................................

25

OSCILACIÓN EN MASA  ...............................................................................................................

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GOLPE DE ARIETE EN LÍNEAS DE DESCARGA  ................................................................... 29 MEDIDAS GENERALES PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETE.  .................................... 30 MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL GOLPE DE ARIETE. ................................. 32 VOLANTE DE INERCIA  ............................................................................................................

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CHIMENEAS DE EQUILIBRIO  ................................................................................................

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CALDERÍN................................................................................................................................... VÁLVULAS DE ALIVIO RÁPIDO  .............................................................................................

33 33

VÁLVULAS ANTICIPADORAS DE ONDA   ............................................................................. 33 2

VENTOSAS  .................................................................................................................................

33

VÁLVULAS DE RETENCIÓN  ...................................................................................................

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VÁLVULAS DE RETENCIÓN TIPO CLAPETA   ..................................................................... 34 VÁLVULAS DE RETENCIÓN TIPO CLAPETA SIMPLE   ..................................................... 34 VÁLVULAS DE RETENCIÓN TIPO CLAPETA SIMPLE CON CONTRAPESO  .............. 34 VÁLVULAS DE RETENCIÓN TIPO CLAPETA SIMPLE CON CORTO RECORRIDO DE CLAPETA..................................................................................................................................... 34 VÁLVULAS DE RETENCIÓN TIPO CLAPETA SIMPLE CON SISTEMA  AMORTIGUADOR  AMORTIGUADOR Y CONTRAPESO CONTRAPESO  ..................................................................................... 35 VÁLVULAS DE RETENCIÓN CON CLAPETA DE EJE SEMICENTRADO  ..................... 35 VÁLVULAS DE RETENCIÓN DE SEMICLAPETA DOBLE O DE DISCO PARTIDO  ..... 35 VÁLVULAS DE RETENCIÓN DE DISCO SOBRE EJE LONGITUDINAL CENTRADO  . 35 SEPARACIÓN DE COLUMNA  .....................................................................................................  AIRE ATRAPADO ATRAPADO  ..........................................................................................................................

37 38

SITUACIONES REALES DONDE PODEMOS ENCONTRAR EL GOLPE DE ARIETE.  ... 39 CONCLUSIONES:   ..........................................................................................................................

39

REFERENCIAS:  .............................................................................................................................

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Golpe de Ariete Introduccion El golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o disminución de la velocidad del flujo. Estas fluctuaciones de presión pueden ser lo suficientemente severas como para romper la tubería de agua. Los problemas potenciales del golpe de ariete pueden ser considerados al evaluarse el diseño de las tuberías y cuando se realiza un análisis detallado de las oscilaciones de presión, en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos en el sistema de distribución. Cualquier cambio mayor en el diseño del sistema principal o cambio en la operación tales como aumento en la demanda de los niveles de flujo deben incluir la consideración de los problemas potenciales de golpe de ariete. Este fenómeno y su significado tanto para el diseño como para la operación de los sistemas de agua, no es ampliamente entendido, como demuestra por el número y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete. El golpe de ariete (choque hidráulico) es el incremento momentáneo en presión, el cual ocurre en un sistema de agua cuando hay un cambio repentino de dirección o velocidad del agua. Cuando una válvula de rápido cierre cierra repentinamente, detiene el paso del agua que está fluyendo en las tuberías, y la energía de presión es transferida a la válvula y a la pared de la tubería. Las ondas expansivas se activan dentro del sistema. Las ondas de presión viajan hacia atrás hasta que encuentran el siguiente obstáculo sólido, luego continúan hacia adelante, luego regresan otra vez. La velocidad de las ondas de presión es igual a la velocidad del sonido; por lo tanto, su “explosión” a medida que viaja hacia adelante y hacia

atrás, hasta que se disipa por la pérdida de fricción. Cualquiera que haya vivido en una casa antigua está familiarizado con la “explosión” que resuena a través de las tuberías cuando una llave de agua es cerrada repentinamente. Esto es un efecto del golpe de ariete. Una forma menos severa del golpe de ariete es llamada oscilación, que es un movimiento lento en forma de ola de una masa de agua causado por fluctuaciones internas de presión en el sistema. Esto puede ser visto como una “onda” de presión que se forma lentamente dentro del sistema. Ambos, golpe de

ariete y oscilación, se refieren a presiones transitorias. Si no se controlan, ambas darán los mismos resultados: daños a las tuberías, accesorios y válvulas, causando fugas y reduciendo la vida útil del sistema. Ni la tubería ni el agua se comprimirán para absorber el choque del agua.

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Descripción del fenómeno. El fenómeno del golpe d e ariete  , también denominado transitorio , consiste en la alternancia de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir, básicamente es una variación de presión, y se puede producir tanto en impulsiones como en abastecimientos por gravedad. El valor de la sobrepresión debe tenerse en cuenta a la hora de dimensionar las tuberías, mientras que, en general, el peligro de rotura debido a la depresión no es importante, más aún si los diámetros son pequeños. No obstante, si el valor de la depresión iguala a la tensión de vapor del líquido se producirá cavitación, y al llegar la fase de sobrepresión estas cavidades de vapor se destruirán bruscamente, pudiendo darse el caso, no muy frecuente, de que el valor de la sobrepresión producida rebase a la de cálculo, con el consiguiente riesgo de rotura. Los principales elementos protectores en este caso serían las ventosas y los calderines, como estudiaremos posteriormente. Por lo tanto, el correcto estudio del golpe de ariete es fundamental en el dimensionamiento de las tuberías, ya que un cálculo erróneo puede conducir a: 1. Un sobredimensionamiento de las conducciones, con lo que la instalación se encarece de forma innecesaria. 2. Tubería calculada por defecto, con el consiguiente riesgo de que se produzca una rotura.

Descripción del fenómeno en abastecimientos por gravedad Si el agua se mueve por una tubería con una velocidad determinada y mediante una válvula se le corta el paso totalmente, el agua más próxima a la válvula se detendrá bruscamente y será empujada por la que viene detrás. Como el agua es algo compresible, empezará a comprimirse en las proximidades de la válvula, y el resto del líquido comprimirá al que le precede hasta que se anule su velocidad. Esta compresión se va trasladando hacia el origen conforme el agua va comprimiendo al límite la que le precede, de manera que al cabo de un cierto tiempo todo el agua de la tubería está en estas condiciones, concluyendo la primera etapa del golpe de ariete. En definitiva, se forma una onda de máxima compresión que se inicia en las proximidades de la válvula y se traslada al origen. La energía cinética que lleva el agua se transforma en energía de compresión. 5

Cuando el agua se detiene, ha agotado su energía cinética y se inicia la descompresión en el origen de la conducción trasladándose hacia la válvula, y por la ley pendular esta descompresión no se detiene en el valor de equilibrio, sino que lo sobrepasa para repetir el ciclo. Esta descompresión supone una depresión, que retrocede hasta la válvula para volver a transformarse en compresión, repitiendo el ciclo y originando en el conducto unas variaciones ondulatorias de presión que constituyen el golpe de ariete. En definitiva, se producen transformaciones sucesivas de energía cinética en energía de compresión y viceversa, comportándose el agua como un resorte.

Descripción del fenómeno en impulsiones En una impulsión, la parada brusca de motores produce el mismo fenómeno, pero al contrario, es decir, se inicia una depresión aguas arriba de la bomba, que se traslada hacia el final para transformarse en compresión que retrocede a la bomba. En efecto, cuando se produce la parada del grupo de bombeo, el fluido, inicialmente circulando con velocidad v , continuará en movimiento a lo largo de la tubería hasta que la depresión a la salida del grupo ocasionada por la ausencia de líquido (el que avanza no es repuesto, no es “empujado”), provoque su parada. En

estas condiciones, viaja una onda depresiva hacia el depósito, que además va deteniendo el fluido, de tal manera que al cabo de un cierto tiempo toda la tubería está bajo los efectos de una depresión y con el líquido en reposo. Ha concluido la primera etapa del golpe de ariete. Como la presión en el depósito es siempre superior a la de la tubería, que se encuentra bajo los efectos de la depresión, se inicia un retroceso del fluido hacia la válvula de retención con velocidad -v . Con el agua a velocidad de régimen, pero en sentido contrario, nuevamente se tiene la presión de partida en la tubería, de manera que al cabo de un cierto tiempo toda ella estará sometida a la presión inicial y con el fluido circulando a velocidad -v . El inicio de la tercera fase es una consecuencia del choque del líquido contra la válvula de retención. El resultado es un brusco aumento de presión y una detención progresiva del fluido, de modo que al cabo de un cierto tiempo todo el líquido de la tubería está en reposo y la conducción sometida a una sobrepresión de la misma magnitud que la depresión inicial. Esta tercera fase del golpe de ariete en una impulsión es semejante a la primera fase en el caso de abastecimientos por gravedad. En la cuarta fase comienza la descompresión, iniciándose de nuevo el movimiento, por lo que al cabo de un tiempo la situación es idéntica a la que teníamos al principio. Comienza un nuevo ciclo. 6

Tanto en abastecimientos por gravedad como en impulsiones, la duración de cada una de estas fases es a/L , siendo L la longitud de la tubería y a la celeridad.

Propagación de la onda con rozamiento En los sistemas reales, las pérdidas de energía asociadas al rozamiento, a la compresión del fluido y a la expansión de la tubería, y el aire en forma de burbujas o disuelto, contribuyen a atenuar la onda de presión. En una tubería larga con grandes pérdidas por fricción la sobrepresión va a disminuir al trasladarse hacia el depósito, no solo debido al rozamiento sino también por la recuperación de altura. En la figura puede observarse un caso en que la sobrepresión por cierre brusco es  ΔH 0.  Al retroceder la onda, el fluido que se detiene va aumentando su altura: en principio debería ser  ΔH 0   más la altura de la posición donde está el frente de onda. Para aumentar la altura, la única solución es que se compacte más fluido, con lo que la velocidad detrás del frente de onda no es nula, y la intensidad de la onda disminuye. Así, la máxima sobrepresión en la válvula aparece después de que la onda ha llegado al depósito, y es inferior a la altura del depósito más la sobrepresión inicial (< H 0  + ΔH 0   ) .

Unas grandes pérdidas en la tubería también tienen como efecto secundario el alargar el tiempo crítico de cierre. Esto es debido a que el coeficiente de pérdidas en la válvula es muy pequeño durante la primera parte del cierre comparado con las pérdidas en el resto de la tubería, con lo que la válvula solo reduce eficazmente el flujo en la última fracción del cierre, y es esta última fracción del tiempo la que debe ser mayor que el tiempo crítico. El tiempo total de cierre se puede reducir cerrando rápidamente al principio y más despacio al final.

Otros elementos singulares

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Los codos, válvulas parcialmente abiertas y otros obstáculos, así como los depósitos de aire, derivaciones etc., van a influir en el resultado final. La absorción o reflejo parcial de la onda hacen que en un sistema no tan sencillo como el de las figuras anteriores, se mezclen ondas en un sentido u otro, reforzándose o amortiguándose, según la capacidad de reflejar de los distintos elementos y las distancias a las que estén situados.

Presión de vacío El golpe de ariete no sólo genera sobrepresiones, también aparecen depresiones.  Así ocurre aguas abajo de una válvula que se cierra o en el rebote contra la válvula de la onda de descompresión que retorna del depósito. Por supuesto, la presión absoluta total no puede ser inferior a cero. De hecho, si la presión desciende por debajo de la presión de vapor, se produce cavitación y se forman burbujas de vapor. Este efecto se conoce como separación de la columna . En tuberías de ciertos materiales (por ejemplo hormigón) o de gran diámetro (circunferencialmente esbeltas), el vacío puede ser una condición más destructiva que las sobrepresiones.

Valor de la celeridad. La celeridad (a) es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua contenida en la tubería, por lo que su ecuación de dimensiones es L ×   . Su valor se determina a partir de la ecuación de continuidad y depende fundamentalmente de las características geométricas y mecánicas de la conducción, así como de la compresibilidad del agua. Una expresión práctica propuesta por Allievi, que permite una evaluación rápida del valor de la celeridad cuando el fluido circulante es agua, es la siguiente:

Siendo: tubería, que representa principalmente el efecto de la inercia del grupo motobomba, cuyo valor es:

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D: Diámetro interior de la tubería e: Espesor de la tubería

También se puede hallar el valor de la celeridad consultando las tablas siguientes.

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En el caso de que la conducción esté constituida por tramos de tubos de diferentes características (diámetro, espesor, timbraje, material, etc.), la celeridad media se calculará como la media ponderada de la celeridad de cada tramo. Si L 1, L2, L 3, ..., son las longitudes de los tramos de distintas características y a 1, a 2, a 3, ..., las celeridades respectivas, el tiempo total L/a que tarda la onda en recorrer la tubería será la suma de los tiempos parciales:

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Tiempo de cierre de la válvula y tiempo de parada de bombas. Cierre lento y cierre rápido. Se define el tiempo (T) como el intervalo entre el inicio y el término de la maniobra, sea cierre o apertura, total o parcial , ya que durante este tiempo se produce la modificación del régimen de movimiento del fluido. Este concepto es aplicable tanto a conducciones por gravedad como a impulsiones, conociéndose en el primer caso como tiempo de cierre de la válvula y como tiempo de parada en el segundo. El tiempo de cierre de una válvula puede medirse con un cronómetro, es un tiempo físico y real, fácilmente modificable, por ejemplo, con desmultiplicadores, cambiando la velocidad de giro en válvulas motorizadas, etc. Por el contrario, en el caso de las bombas, el tiempo de parada no puede medirse de forma directa y es más difícil de controlar. En resumen, en las conducciones por gravedad, el cierre de la válvula se puede efectuar a diferente ritmo, y por tanto, el tiempo T es una variable sobre la que se puede actuar, pero en las impulsiones el tiempo de parada viene impuesto y no es posible actuar sobre él, salvo adicionando un volante al grupo motobomba o un sistema similar. Mendiluce propone la siguiente expresión para el cálculo del tiempo de parada:

Siendo: L: Longitud de la conducción (m) v: Velocidad de régimen del agua (m/s) g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s 2 Hm: Altura manométrica proporcionada por el grupo de bombeo

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C y K: Coeficientes de ajuste empíricos. La altura geométrica o presión estática (H g) se mide siempre inmediatamente aguas arriba de la bomba, por lo que la profundidad del agua en el pozo debe tenerse en cuenta en el caso de bombas sumergidas. El coeficiente C (ver figura) es función de la pendiente hidráulica (m), siendo . Toma el valor C=1 para pendientes hidráulicas crecientes de hasta el 20%, y se reduce progresivamente a partir de este valor hasta hacerse cero para pendientes del 40%. Pendientes superiores al 50% implican paradas muy rápidas, aconsejándose considerar el golpe de ariete máximo de Allievi en toda la longitud de la tubería. Valores del coeficiente C según Mendiluce.

Valores del coeficiente K según Mendiluce.

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Puesto que L es la longitud de la tubería y la celeridad a es la velocidad de propagación de la onda de presión, Será el tiempo que tarda la onda de presión en dar una oscilación completa.

Por lo tanto, si la maniobra ya habrá concluido cuando se produzca el retorno de la onda de presión y tendremos un cierre rápido, alcanzándose la sobrepresión máxima en algún punto de la tubería. Sin embargo, si , estaremos ante un cierre lento y ningún punto alcanzará la sobrepresión máxima, ya que la primera onda positiva reflejada regresa antes de que se genere la última negativa.

El caso más desfavorable para la conducción (máximo golpe de ariete) es el cierre pendiente hidráulica, no siendo lo habitual. Como a mayor tiempo T menor sobrepresión, si podemos controlar T limitaremos en gran medida los problemas en tuberías, siendo éste el caso de los abastecimientos por gravedad.

CONDICIONES DE CONTORNO Depósitos Un depósito suficientemente grande no varía de nivel durante el transitorio, por lo que se supone que en un punto, la altura piezométrica es igual a la altura del depósito. Para más exactitud se puede suponer H p = H D para el flujo desde la tubería al depósito y H  p = H D - V 2  /2g en el sentido contrario. 13

Válvulas La condición de contorno en una válvula viene dada por su coeficiente de descarga que relaciona la pérdida de carga ( h p = ΔH = ΔH  p ) con el caudal. El coeficiente de descarga depende del grado de apertura y del tipo de válvula. En una válvula determinada que no se accione el coeficiente de descarga no varía, pero cuando una válvula se está abriendo o cerrando ya no se puede considerar constante el coeficiente. Se pueden expresar los valores del coeficiente de descarga en función del tiempo como:

o bien relacionar la velocidad y pérdida de carga temporales con las del estado estacionario:

Y aproximar la relación de coeficientes de pérdidas por una ley de cierre exponencial

donde t c es el tiempo de cierre y m un exponente que depende de la ley de variación del grado de apertura y del tipo de válvula. Cuando la válvula es de descarga libre, h p  se identifica con la altura total en la válvula menos su cota geométrica.

Nudos En la conexión de tuberías en serie, un cambio del diámetro u otra característica de la tubería supone una variación de la velocidad de onda. Las conexiones de tres o más tuberías producen una amortiguación importante del golpe de ariete. Considérese el caso de una onda de presión desplazándose por una tubería; al llegar a una bifurcación, ΔV se divide en dos partes para mantener

la continuidad. Si las dos ramas tienen el mismo diámetro y la misma orientación, se reduce a la mitad en cada una, y lo mismo ocurre con el incremento de presión. En otros caso la distribución es asimétrica. En general, el golpe de ariete tiene importancia en la tubería principal en que se produce, amortiguandose sustancialmente en las ramificaciones.

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Extremo cerrado La condición a imponer es que la velocidad sea nula. Si existe una bolsa de gas se puede relacionar la presión y el volumen con la ley P V n = cte , con n entre 1 para un proceso isotermo (variaciones muy lentas de presión) y 1.4 para adiabático (variaciones muy rápidas). Esta es la condición de contorno que hay que aplicar en los depósitos de aire utilizados para amortiguar el golpe de ariete. Estos depósitos suelen disponer además de un estrangulamiento uni o bidireccional para amortiguar las oscilaciones. En el caso de un extremo cerrado donde la presión descienda hasta la de vapor, se formará una burbuja de cavitación que se incrementará todo lo necesario para mantener la presión constante.

Pérdidas singulares Habitualmente los codos, válvulas totalmente abiertas, etc. pueden ser ignorados con respecto al paso de la onda de presión, pues provocan poca atenuación o reflexión. Solamente en el caso de que la pérdida de carga sea significativa hay que tenerlas en cuenta, lo que se puede hacer a través del coeficiente de pérdida singular. Las pérdidas de carga distribuidas pueden concentrarse, a efectos de cálculo, en una pérdida singular única.

Bombas Cuando la bomba está funcionando con velocidad de giro constante, la condición de contorno viene dada por la curva característica, que se puede aproximar por una parábola a efectos de calcular la solución de forma numérica. Los procesos de arranque y parada de las bombas son las condiciones de contorno más difíciles de determinar en los transitorios. No sólo interviene el tipo de máquina y las curvas características a velocidad variable, sino también la inercia y el par del motor durante la aceleración o frenado. Habitualmente el arranque no supone una condición muy severa para el sistema (aunque sí para la bomba en ciertos casos), pues es difícil que se generen sobrepresiones superiores a las que produce la bomba funcionando contra el circuito cerrado; por este motivo el arranque se suele tratar como una oscilación en masa. Durante la parada o en caso de fallo, sin embargo, se pueden producir depresiones importantes. De forma simplificada y manteniéndose del lado de la seguridad, se puede tomar la parada como un cierre brusco y el arranque como un golpe de presión igual a la altura máxima de la bomba.

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Sobrepresión producida por el golpe de ariete. Una vez conocido el valor del tiempo T y determinado el caso en el que nos encontramos (cierre lento o cierre rápido), el cálculo del golpe de ariete se realizará de la forma siguiente: a) Cierre lento .

 A finales del siglo XIX, Michaud propuso la primera fórmula para valorar el golpe de ariete:

Siendo: DH: Sobrepresión debida al golpe de ariete (mca) L: Longitud de la tubería (m) v: Velocidad de régimen del agua (m/s) T: Tiempo de parada o de cierre, según el caso (s) g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 Para deducir esta ecuación, Michaud no tuvo en cuenta ni la compresibilidad del agua ni la elasticidad de la tubería.

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pequeño frente a T, y entonces:

Que es la ecuación de Jouguet, establecida en la misma época que la de Michaud, y se deduce analíticamente igualando el impulso que experimenta el agua en el interior de la tubería a la variación de su cantidad de movimiento.

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En caso de cierre parcial, la velocidad final será menor que la inicial pero no nula, cuando cierre total de la válvula. Entonces:

Que es la fórmula de Jouguet. Sin embargo, Michaud, partiendo de distintos supuestos, comprobó que la sobrepresión alcanzaba valores del doble de la establecida por Jouguet. En realidad, Jouguet se aproxima más al principio de la sobrepresión y Michaud al final, ya que las disminuciones de la velocidad no son lineales con el tiempo, decreciendo más suavemente al principio del transitorio que al final, pero puesto que siempre se alcanzará en algún punto de la tubería un golpe de ariete igual al dado por Michaud, es ésta la fórmula que habrá que aplicar en el cálculo de la sobrepresión con un tiempo de cierre lento.

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b ) Cierr e ráp id o .

Como ya comentamos anteriormente, al cerrar la válvula C , el agua se detiene y comienza a comprimirse en sus proximidades.

Si S rodaja de agua considerada, la fuerza que soporta dicha sección será:

la

El impulso (I) de dicha fuerza durante el tiempo T que tarda en pararse el

Siendo a la celeridad de la onda de presión. Como el impulso ha de ser igual a la variación de la cantidad de movimiento (DQ):

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Considerando el caso más peligroso para la tubería, es decir, el cierre total de la válvula:

Expresión que dedujo Allievi en 1904, con la que se calcula el valor máximo del golpe de ariete que puede producirse en una conducción. Puede observarse cómo el valor de la sobrepresión es independiente de la longitud de la tubería. Representando gráficamente las ecuaciones de Allievi y de Michaud, se observa que, si la conducción es lo suficientemente larga, las dos rectas se cortan en un punto, denominado pu n to cr íti c o . La longitud del tramo de tubería regido por la ecuación de Michaud se conoce como lo n git ud cr ític a (Lc), y su valor se obtiene, lógicamente, igualando las fórmulas de Michaud y Allievi.

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Excepto en el caso de ser la pendiente hidráulica mayor del 50%, en que se recomienda considerar la sobrepresión de Allievi en toda la conducción, el valor así calculado lo soportará el tramo de tubería de longitud L m, siendo: Lm=L-Lc.

Basándonos en el concepto de longitud crítica, se tiene que: Si LLc, entonces la impu lsión (cond ucción) es larga y el ci err e r áp id o , siendo el valor del golpe de ariete el dado por Allievi desde la válvula hasta el punto crítico y por Michaud en el resto.

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Método práctico para el cálculo del golpe de ariete. Necesitamos calcular previamente la velocidad del agua y, en impulsiones, la altura manométrica del grupo de bombeo. Se obtiene el tiempo de parada con la ecuación de Mendiluce. En el caso de abastecimientos por gravedad, el tiempo de cierre de la válvula será conocido.

Se calcula la celeridad “a” con la fórmula de Allievi o se consultan las tablas para

calcular la sobrepresión mediante la fórmula adecuada.

Se calcula la longitud críti ca “Lc”, que es la distancia que separa el final de la impulsión del punto crítico o de coincidencia de las fórmulas de Michaud y Allievi. En la Lc rige la fórmula de Michaud.

Se comparan las longitudes L y Lc.

El tipo de cierre, lento o rápido, también puede conocerse comparando el tiempo de parada de la bomba o el de cierre de la válvula con el tiempo que tarda la onda de presión en dar una oscilación completa, es decir, con:

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En impulsiones, se colocan las válvulas de retención necesarias para mantener la línea de sobrepresión debida al golpe de ariete por debajo de la línea piezométrica. Con las válvulas de retención se desplaza la línea de máximas presiones del golpe de ariete.

MÉTODO DE LAS CARACTERÍSTICAS El objeto de este método es transformar las ecuaciones de cantidad de movimiento y de continuidad en ecuaciones en derivadas totales. Multiplicando la ecuación de continuidad por una constante indeterminada λ y

sumándola a la de cantidad de movimiento:

(1)  Al ser una combinación lineal de dos ecuaciones independientes, dos valores reales cualesquiera de λ producirán dos ecuaciones igualmente independientes.

De la definición de derivadas totales:

(2) Se pueden elegir unos valores para λ que cumplan:

(3) de forma que:

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(4) Con estos dos valores, la ecuación se desdobla en dos ecuaciones independientes en derivadas totales: Ecuación C+

(5) Ecuación C-

(6) La ecuación C+ sólo es válida a lo largo de una línea que cumpla dx/dt = V+a y la C- a lo largo de dx/dt = V-a . Para entender como se puede utilizar esto, conviene considerar la solución en un diagrama x-t (figura 1).

Figura 1 Relación a través de las líneas características Suponiendo que se conocen los valores de V y H  p en los puntos R y S , a partir del punto R la ecuación 2 es válida sobre una línea de característica C+, y a partir de S la ecuación 3 es válida sobre otra línea de característica C-. En el punto de 24

cruce de esas dos líneas T , se puede resolver un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas hallando V(T) y H  p(T).

MÉTODO GRÁFICO DE BERGERON Para un cálculo matemáticamente adecuado del golpe de ariete se puede aplicar la resolución por diferencias finitas de las ecuaciones características . Aquí se va a exponer un método gráfico que proporciona resultados rápidos y correctos para casos sencillos, aunque se puede generalizar para otros más complicados. Considérese un depósito del que sale una tubería con una válvula en el extremo. Para simplificar se van a despreciar las pérdidas por rozamiento y la velocidad del fluido frente a la velocidad de onda, de forma que las líneas características tendrán una pendiente ± a . Los puntos de condiciones de contorno conocidas son el depósito y la válvula. Si se toma un intervalo de tiempo L/a , de forma que las perturbaciones lleguen de un punto al otro, se dispondrá en ellos en cada instante considerado, de una condición de contorno y una ecuación característica para resolver la altura y velocidad. Téngase en cuenta que en los puntos extremos no se puede hallar la solución como cruce de dos ecuaciones características, pues una sólo se desplaza aguas arriba y otra aguas abajo. Para mantener la validez de las ecuaciones características, debe imponerse que los cambios que tengan lugar en el circuito en cada intervalo de tiempo, se realicen de forma instantánea; es decir, si se tarda 4 L/a en cerrar la válvula, se supondrá que se ha cerrado con cuatro movimientos bruscos, al comienzo de cada intervalo de tiempo. Las ecuaciones características discretas resultan:

(7) Para mayor sencillez en las unidades del gráfico, se adimensionalizan con la altura piezométrica y velocidad iniciales:

(8) 25

Con lo que las ecuaciones características quedan

(9) El signo positivo es para la traslación de la onda desde la válvula al depósito y el negativo del depósito a la válvula. El gráfico se realiza en un diagrama Hp* - V * . Por ejemplo, en el cierre brusco de la válvula (figura 2) los puntos iniciales  A0  y B0  , están en (1,1). Si en el instante 1 se cierra la válvula, la condición de contorno en ella es V * =0 . La condición de contorno del depósito, despreciando la energía cinética, es H p * = 1 . Desde A0  y B0  se trazan las líneas características: por A de pendiente negativa -traslación de depósito a válvula- y por B positiva; el corte con las condiciones de contorno proporciona  A1 y B1. En el instante 1, el depósito mantiene la misma velocidad mientras en la válvula se anula la velocidad, y la altura piezométrica adimensional que se alcanza es:  ΔH p * = fΔV* = f (en este caso la variación de velocidad adimensional es  ΔV*=1 ). El valor dimensional es  ΔHp = aV 0   / g , que coincide con el obtenido para cierre brusco.  A partir de  A1 y B1  se hallan B2 y A2  en la válvula se mantienen las mismas condiciones mientras en el depósito se invierte la velocidad; y así sucesivamente.

Figura 2 Resolución gráfica de un cierre brusco por el método de Bergeron En el cierre lento de una válvula, la condición de contorno cambia en cada instante. Asumiendo que toda la altura del depósito cae en la válvula, la condición de contorno se puede escribir como: (10) La ley de cierre se ajusta por una serie de saltos bruscos, figura 3, y la condición de contorno en la válvula viene definida por una parábola en cada instante.

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Figura 3 Ley de cierre en una válvula en el método de Bergeron En la figura 4 puede verse el esquema de la resolución con el cierre en cuatro pasos. En el instante cero tanto la válvula como el depósito están en (1,1). A partir de ahí, las líneas características del depósito a la válvula van cortando las parábolas resistentes de la válvula según el cierre de cada instante y desde la válvula regresan al depósito en el corte con la línea horizontal H p * = 1. Como puede verse en el gráfico, la presión máxima en la válvula es bastante menor que la que resultaría del cierre instantáneo. En este caso, el valor máximo se produce en el instante de tiempo 2.  Al final resta un bucle cerrado  A3 , A4 , A5   , ..., B 4 , B5  , B6   ... que se repetiría indefinidamente; esto es debido a haber despreciado las pérdidas de carga que irían amortiguando las oscilaciones. Este método también puede ser utilizado analíticamente: basta con aplicar las fórmulas adecuadas en cada instante de tiempo. Dibujar el gráfico, aunque sea de forma aproximada, ayuda a evitar errores.

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Figura 4 Esquema de resolución por le método de Bergeron

OSCILACIÓN EN MASA Existen flujos no estacionarios donde el análisis puede hacerse por medio de la teoría de la columna rígida.  Así las ecuaciones diferenciales planteadas son ordinarias y no hace falta tener en cuenta la compresibilidad del fluido ni la elasticidad de las tuberías. La variación de velocidad no se produce de forma brusca y no hay que considerar, por tanto, ondas de presión trasladándose a la velocidad del sonido. En el fondo, el problema se reduce a un proceso que, partiendo de un desequilibrio de fuerzas, provoca unas aceleraciones. Ejemplos de este fenómeno son la mayoría de los arranques de bombas, la apertura de una válvula, la oscilación de una chimenea de equilibrio, etc. En el caso de la apertura de una válvula que conecta dos depósitos ideales, figura 5, al aplicar la ecuación de cantidad de movimiento se obtiene:

(11) En esta ecuación se han despreciando las pérdidas singulares, pero se pueden incluir en un término aparte o dentro de las pérdidas lineales. Para una chimenea de equilibrio, la altura será función del caudal y de la sección. Con una bomba, esta altura dependerá de la velocidad de arranque y de la curva característica.

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Figura 5 Ejemplo de oscilación en masa

Golpe de ariete en líneas de descarga El caso mas importante de golpe de ariete en una línea de descarga de bombas accionadas por motores eléctricos, se verifica luego de una interrupción de energía eléctrica. En este caso, debido a la inercia de las partes rotativas de los conjuntos elevadores, inmediatamente después de la falta de corriente, la velocidad de las bombas comienza a disminuir, reduciéndose rápidamente el caudal. La columna líquida continúa subiendo por la tubería de descarga, hasta el momento en que la inercia es vencida por la acción de la gravedad. Durante este periodo se verifica una descompresión en el interior de la tubería. Enseguida, ocurre la inversión en el sentido del flujo y la columna líquida vuelve a las bombas. No existiendo válvulas de retención, las bombas comenzarían, entonces, a funcionar como turbinas, girando en el sentido contrario. Con excepción de los casos en que la altura de elevación es pequeña, con descarga libre, en la líneas de bombeo son instaladas válvulas de retención o válvulas check, con el objeto de evitar el retorno del líquido a través de las bombas. La corriente líquida, al retornar a la bomba, encontrando la válvula de retención cerrada, ocasiona el choque y la compresión del fluido, lo cual da origen a una onda de sobrepresión (golpe de ariete).

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Si la válvula chek funciona normalmente, cerrándose en el momento preciso, el golpe de ariete no alcanzará el valor correspondiente a dos veces la altura manométrica. Si, por el contrario, la válvula chek no cierra rápidamente, la columna líquida retornará, pasando a través de la bomba y con el tiempo, pasará a adquirir velocidades mas altas, elevándose considerablemente el golpe de ariete, en el momento en que la válvula funcione (Pudiendo alcanzar 300% de la carga estática, dependiendo del tiempo de cierre). El cálculo riguroso del golpe de ariete en una instalación de bombeo exige el conocimiento previo de datos relativos a los sistemas de bombeo, que influyen en el fenómeno: a. El momento de inercia de las partes relativas de la bomba y el motor. b. Características internas de la bomba (efectos sobre la disipación de energía, funcionamiento como turbina). c. Condiciones de la bomba en la rama de descarga y comportamiento de la onda de presión.

Medidas generales para reducir el golpe de ariete. El golpe de ariete es combatido, en la práctica, por varias medidas.

Sistemas de bombeo de baja y alta presión: el golpe de ariete tiene mayor significación en sistemas de baja presión, que en los de alta presión. Las velocidades de desplazamiento en condiciones estables normales tanto en los sistemas de alta como en los de baja presión son aproximadamente iguales. Sin embargo, los cambios de presión son proporcionales a la velocidad con que se cambia la velocidad de la masa de agua contenida dentro de la tubería. Por lo tanto, dado un cambio de velocidad especifico dentro de la unidad del tiempo, el cambio de presión que resulta en los sistemas de alta y baja presión es del mismo orden de magnitud. Por lo tanto, una elevación en la presión por una cantidad dada, representara un aumento en mayor proporción dentro del sistema de baja presión, que lo que este mismo aumento de presión representara dentro de un sistema de alta presión. Tamaño de la tubería: El diámetro de la tubería se suele determinar en consideraciones económicas, basadas en condiciones de bombeo en estado estable. No obstante, los efectos del golpe de ariete en un tubo de descarga de una bomba se pueden reducir al aumentar el tamaño del tubo de descarga, porque los cambios de velocidad serán menores en el tubo más grande. Este método de 30

reducción del golpe de ariete en los tubos de descarga suele ser muy costoso, pero hay ocasiones en las cuales resulta más costoso utilizar dispositivos de control que el cambio del diámetro de la tubería.

Efecto de volante ( ):  Otro método para reducir los efectos del golpe de ariete en los tubos de descarga de las bombas, es proveer un efecto de volante adicional en el elemento rotatorio del motor. En promedio, el motor por lo general produce alrededor del 90% del efecto del volante combinado de los elementos rotatorios de la bomba y el motor. Al ocurrir una interrupción de corriente en el motor, un aumento de la energía cinética de las partes rotatorias, reducirá la rapidez del cambio de la circulación de agua en el tubo de descarga. En la mayoría de los casos se puede obtener un aumento del 100% en el de los motores grandes con un aumento de precio del 20% del costo original del motor.  Ahora bien, un aumento en el no es un método económico para reducir el golpe de ariete, pero es posible en algunos casos marginales, eliminar otros dispositivos más costosos para el control de la presión. Numero de bombas:  El numero de bombas conectadas en cada tubo de descarga se suele determinar con los requisitos operacionales de la instalación, disponibilidad de las bombas y otras consideraciones económicas. No obstante, el numero y tamaño de las bombas conectadas en cada tubo de descarga tendrán algún efecto sobre las transitorias del golpe de ariete. Para el arranque de bombas equipadas con válvulas de retención, cuanto mayor sea el numero de bombas en cada tubo de descarga, menor será el aumento de la presión. Además, si hay una falla en una de las bombas o válvulas de retención, seria preferible una instalación con bombas múltiples en cada tubo de descarga, en vez de una sola bomba, porque los cambios de circulación en el tubo de descarga producidos por la falla, serian menores. Cuando ocurre una interrupción simultanea de la corriente en todos los motores de las bombas, cuanto menor sea el numero de bombas en un tubo de descarga, menores serán los cambios en la presión y otros fenómenos hidráulicos transitorios. Para una circulación total dada en un tubo de descarga, un gran numero de bombas y motores pequeños, tendrá mucha menor energía cinética total en las partes rotatorias, para mantener la circulación, que un numero pequeño de bombas. En consecuencia, para el mismo caudal total, los cambios de velocidad y los efectos del golpe de ariete a consecuencia de la interrupción de la corriente son mínimos, cuando hay una sola bomba conectada en cada tubo de descarga. Velocidad especifica de las bombas: Para una tubería y condiciones dadas de circulación estable inicial, el aumento máximo en la carga que puede ocurrir en un tubo de descarga, después de la interrupción de la corriente, cuando la circulación inversa pasa por la bomba depende, primero, de la magnitud de la circulación inversa máxima que puede pasar por la bomba durante los periodos de disipación de energía y de funcionamiento de la turbina y, luego, de la circulación que puede por la bomba a la velocidad de embalamiento o “desboque” en reversa. Al ocurrir

la interrupción de la corriente, la bomba de flujo radial (alta velocidad especifica), 31

producirá un poco mas de turbulencia que las bombas de flujo axial y de flujo mixto. La bomba de flujo radial también producirá el máximo aumento en la carga al ocurrir la interrupción de la corriente, si se permite que la circulación inversa pase por la bomba. Suele haber muy poco aumento en la carga en las bombas de flujo mixto y de flujo axial cuando ocurre una interrupción de la corriente y si no ocurre una separación de la columna de agua en algún otro lugar de la tubería. Durante la interrupción de la corriente si no se utilizan válvulas, se llega a una mayor velocidad inversa en la bomba de flujo axial y a una menor en la bomba de flujo radial. Por lo tanto, se debe tener cuidado de evitar daños a los motores de las bombas de mayor velocidad especifica, debido a estas velocidades inversas más altas. Al arrancar una bomba en contra de una válvula de retención inicialmente cerrada, la bomba de flujo axial producirá el máximo aumento de carga en el tubo de descarga porque también tiene la máxima carga de cierre. Al arrancar la bomba, una bomba de flujo radial producirá un aumento nominal en la carga; pero, una bomba de flujo axial puede producir un aumento en la carga varias veces mayor que la carga estática.

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. 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.

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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.

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. 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. Ventosas Dependiendo de su función, 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. 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:

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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 las mismas al detenerse el flujo.

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.  

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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. 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. 34

Esta válvula se puede utilizar también con aguas sucias. 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. 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.

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. Válvulas de retención de disco sobre eje longitudinal centrado Las características de estas válvulas de retención, también conocida 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. 35

 

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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.

Supresores de fluctuaciones: estos se utilizan, en las plantas de bombeo para controlar el aumento en la presión que ocurre en los tubos de descarga de las bombas, después de una interrupción de la corriente. Un supresor de fluctuaciones consiste en una válvula operada por piloto, la cual abre con rapidez después de una interrupción de la corriente. Esta válvula produce una abertura para descargar el agua del tubo de descarga, después esta se cierra con lentitud debido a la acción de un amortiguador de cierre, a fin de controlar el aumento en la presión conforme se corta la circulación de agua. Un supresor de fluctuaciones adecuado y bien ajustado en el campo, puede reducir el aumento en la presión a cualquier valor deseado, siempre y cuando no ocurra una separación de la columna de agua en otros lugares de la tubería. Si el supresor abre con demasiada rapidez, después de la interrupción de la corriente, la fluctuación descendente de la bomba y de la tubería de descarga seria mayor que si no hubiera supresor. Como resultado, se puede producir una separación de la columna de agua en algunos lugares de la tubería, por la apertura prematura del supresor. Si el supresor cierra con demasiada rapidez después de establecida la máxima circulación inversa, ocurrirá un gran aumento en la presión

Cámaras de aire:  es un dispositivo eficaz para controlar las fluctuaciones de presión en una tubería de descarga larga de una bomba. Esta suele encontrarse en la estación de bombeo o cerca de esta. La parte inferior de esta contiene agua y la superior aire comprimido. Cuando ocurre una interrupción de la corriente en el motor de la bomba, la carga producida por la bomba baja con rapidez. El aire comprimido de la cámara se expande y expulsa el agua por el fondo de la cámara hacia el tubo de descarga, minimizando los efectos de cambio de velocidad y los efectos del golpe de ariete en el tubo. Cuando la velocidad de la bomba se reduce a un punto al cual no puede entregar agua en contra de la carga existente, entonces la válvula de retención en la descarga se cierra con rapidez, desacelerando la bomba, hasta que esta se detiene. Unos instantes mas tarde, el agua en el tubo de descarga pierde velocidad y se detiene, se invierte y retorna a la cámara de aire. Esta entra por un orificio de restricción, disminuyendo el volumen de aire de la cámara y ocurriendo un aumento en la carga, superior a la carga de bombeo en la tubería de descarga. Tanques de compensación de pulsaciones: este es uno de los dispositivos mas confiables que se pueden utilizar en las estaciones de bombeo para reducir el golpe de ariete. No tiene piezas móviles que se puedan dañar. Después de la 36

interrupción en la corriente, el agua en el tanque de compensación constituye una fuente de energía potencial, que reduce en forma efectiva, la rapidez en el cambio de circulación y el golpe de ariete en la tubería de descarga. Una de las desventajas del tanque de compensación es que su parte superior debe estar mas arriba del gradiente hidráulico para evitar derrames, haciendo así el tanque muy alto y muy costoso.

Trinquetes no reversibles:  este aparato de uso solo en plantas de bombeo pequeñas, consiste de un trinquete (cuña) no reversible en el eje de la bomba y del motor, que evita la rotación inversa de la bomba. Este aparato es eficaz para controlar el golpe de ariete al ocurrir la interrupción de la corriente, debido a la gran circulación inversa que puede pasar por el impulsor que esta estacionario.  Aunque ha sido útil en bombas pequeñas, su uso en bombas medianas y grandes ha sido decepcionante, debido a que el choque en el sistema de eje de motor y bomba por el paro repentino del eje, ocasiono graves problemas mecánicos.  A continuación se mostraran algunas gráficas que ofrecen un método conveniente para obtener las transitorias hidráulicas en la bomba y en el punto medio del tubo de descarga, cuando no hay válvulas de control en la bomba. Aunque las gráficas, en teoría, son aplicables a un grupo particular de bombas de flujo radial, también son útiles para calcular los efectos del golpe de ariete en cualquier tubería de descarga equipadas con bombas de flujo radial. Las gráficas están basadas en dos parámetros independientes:

, la constante de la tubería y

una

constante que incluye el efecto de la inercia de la bomba del motor y el tiempo de recorrido de la onda de golpe de ariete en la tubería de descarga.

SEPARACIÓN DE COLUMNA Si en algún momento la presión en algún punto de la tubería cae por debajo de la presión de vapor, el agua se evaporará. Los transitorios dan lugar a situaciones semejantes con bastante frecuencia. Por ejemplo, en el caso del cierre brusco de una válvula aguas abajo de un depósito, mientras se forma una bolsa de vapor que se va agrandando. Esto es cuando la onda regresa del depósito con velocidad inversa, al llegar a la válvula se produce una depresión. Si la presión absoluta se hace inferior a la presión de vapor, el agua se evapora manteniendo esa presión de vapor. El líquido continúa fluyendo hacia el depósito prácticamente a la misma velocidadlo que se conoce como ruptura o separación de columna . Cuando esto sucede las ondas de presión se transforman en movimiento de columna rígida y el tiempo requerido para detener esta velocidad hacia el depósito es mucho mayor que L/a . El movimiento como columna rígida frena al fluido e invierte la velocidad, haciendo desaparecer la cavidad. En el instante en que la cavidad desaparece, se produce un golpe de ariete que, si no ha habido 37

atenuación, tendrá la misma intensidad que el precedente. La figura 7.15 muestra en esquema la presión en la válvula con este comportamiento. La ruptura de columna también puede producirse en un punto intermedio, sobre todo si la cota geométrica es más alta.

Presión en la válvula con separación de columna Si existe aire disuelto en el líquido, cuando la presión desciende por debajo de la de saturación (y también durante la vaporización) van a aparecer burbujas de aire. Este aire no se volverá a disolver tan fácilmente durante el colapso, y permanecerá en forma gaseosa. Su efecto es doble: por una parte disminuye la velocidad de onda en la tubería y por otra actúa como colchón reduciendo la magnitud de las ondas de presión.

AIRE ATRAPADO El aire atrapado en las tuberías puede provocar transitorios, pues fácilmente es origen de fuertes aceleraciones locales. Un ejemplo de este tipo de comportamiento es el ocasionado por las bolsas de aire al atravesar válvulas u otros elementos de control. El aire fluye a su través con menos pérdida de carga que el agua, pues es menos denso. La caída de presión en la válvula disminuye, y la columna de líquido aguas arriba se acelera; una vez que ha pasado todo el aire, aumenta bruscamente la pérdida de carga frenando la columna de líquido y provocando un golpe de ariete. El mismo efecto se produce en las válvulas de escape de aire cuando llega a ellas una bolsa de aire con una presión alta. Las bolsas de aire también pueden generar sobrepresiones durante el llenado de las tuberías o el arranque de las bombas. Dividen la columna de líquido y, al disminuir la inercia, se alcanzan velocidades mayores que las esperadas con un movimiento de columna rígida, produciendose frenazos bruscos al comprimirse las bolsas de aire. Para evitar este fenómeno existen varias soluciones: 

Llenar muy lentamente las tuberías. 38

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

Colocar válvulas de escape de aire en número suficiente (al menos en todas las partes altas) y de tamaño bastante grande como para que el aire salga sin llegar a presurizarse. Hacer funcionar la instalación al comienzo con velocidades y presiones bajas hasta que se elimine el aire. Colocar válvulas de escape de aire antes de las válvulas de control de forma que las bolsas de aire no pasen a su través.

Situaciones reales donde podemos encontrar el golpe de ariete. 



Las situaciones de mitigación contra el golpe de Ariete, se presentan en el sector hídrico, mediante el bombeo, para la recolección del agua y su posterior distribución, ya que estas bombas funcionan con electricidad, donde una suspensión o falla en este servicio ocasionaría una sobre carga hidráulica en la tubería, por lo cual se tiene sistemas especiales para la seguridad, como válvulas especiales que se cierran en cuestión de microsegundos y se activan por dispositivos de control, además poseen pozos de ventilación, los cuales, llegado el caso, se saturan y provocan un rebose en el pozo. Otro proceso donde encontramos este problema, es en la producción de energía eléctrica por medio de hidroeléctricas, en las cuales, debido al proceso de bombeo para el transporte del fluido, se genera el mismos problema de las instalaciones hídricas.

Conclusiones: El golpe de ariete a gran escala puede ser muy peligroso, y todos entienden la necesidad de establecer medidas en contra de el. Por otra parte, el golpe de ariete a menor escala generalmente es ignorado. A pesar de que toma mayor tiempo, también el golpe de ariete a menor escala generalmente conduce a daños. Desde un punto de vista de mantenimiento, es importante que de igual manera se tomen medidas en contra de este tipo de golpe de ariete. El golpe de ariete también tiene sus ventajas ya que una vez entendiendo el fenómeno se puede manipular y usarlo en nuestro beneficio como en el uso de bombas de golpe de ariete o cámaras de oscilación .

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