Investigacion de La Unidad 5 Sistemas de Bombeo

INVESTIGACION UNIDAD 5

MATERIA: HIDRAULICA BASICA PROFESORA: JUAN JOSE VELAZQUES RINCON /2014 MATERIA: HIDRAULICA BASICA MEDINA TORRES GERARDO

UNIDAD 5 SISTEMAS DE BOMBEO Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de elementos que permiten el transporte a través de tuberías y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que se cumplan las especificaciones de caudal y presión necesarias en los diferentes sistemas y procesos. Esta publicación se limita al estudio del transporte de fluidos newtonianos incompresibles, y más concretamente de líquidos. Hay una diversidad de mecanismos de bombeo (bombas), cuya capacidad, diseño y aplicación cubren un amplio rango que va desde pequeñas unidades utilizadas para dosificación de cantidades mínimas, hasta bombas centrifugas que son capaces de manejar grandes volúmenes para surtir de agua a las grandes concentraciones urbanas. Su variedad de diseños cubren desde diferentes principios de operación, hasta bombas especiales para manejo de sustancias tan diversas como el agua, metales fundidos, concreto, etc., gastos diferentes y materiales de construcción. 5.1 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO. Las bombas se clasifican según las consideraciones generales diferentes: 1. La que toma en consideración la características de movimiento de los líquidos.

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2. La que se basa en el tipo de aplicación específica para los cuales se ha diseñado la bomba. Clases y tipos.- Hay tres clases de bombas en uso común del presente: centrífuga, rotatoria y reciprocante. Nótese estos términos se aplican solamente a la mecánica del movimiento de líquido y no al servicio para el que se a diseñado una bomba.BOMBAS CENTRÍFUGAS Bombas de tipo Voluta.- Aquí el impulsor descarga en una caja espiral que se expande progresivamente, proporcionada en tal forma que la velocidad del líquido se reduce en forma gradual. Por este medio, parte de la energía de velocidad del líquido se convierte en presión estática. Bombas de Tipo Difusor.- Los álabes direccionales estacionarios rodean al rotor o impulsor en una bomba del tipo de difusor. Esos pasajes con expansión gradual cambian la dirección del flujo del líquido y convierten la energía de velocidad a columna de presión. Bombas de Tipo Turbina.- También se conocen como bombas de vértice, periféricas y regenerativas; en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía. Las bombas del tipo difusor de pozo profundo, se llaman frecuentemente bombas turbinas. Sin embargo, asemejan a la bomba turbina regenerativa en ninguna y no deben confundirse con ella. Tipos de Flujo Mixto y de Flujo Axial.- Las bombas de flujo mixto desarrollan su columna parcialmente por fuerza centrífuga y parcialmente. Por el impulsor de los álabes sobre el líquido. El diámetro de descarga de los impulsores es mayor que el de entrada. Las bombas de flujo axial desarrollan su columna

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por la acción de impulso o elevación de las paletas sobre el líquido. El diámetro de! impulsor es el mismo en el lado de succión y en el de descarga. Una bomba de impulsor es untipo de bomba de flujo axial. Velocidad Especifica.- Éste es un índice del tipo de bomba, que usa la capacidad de columna que se obtiene en el punto de eficiencia máxima. Determina el perfil o forma general del impulsor. En números, la velocidad especifica es la velocidad, en revoluciones por minuto a la cual un impulsor deben girar si su tamaño se reduce para dar un gastó de un litro por segundo contra una columna de un metro. Los impulsores para columnas altas tienen generalmente una velocidad específica baja. Los impulsores para columnas reducidas tienen generalmente una velocidad específica alta. Cada diseño de impulsor tiene una región de velocidad específica para la cual está mejor adaptado. Estas regiones son aproximadas, sin divisiones bien definidas entre ellas. Las limitaciones de succión para las diferentes bombas están relacionadas con la velocidad específica. Éstas se discutirán después, para las diversas condiciones de operación. Curvas Características.- A diferencia de las bombas de desplazamiento positivo (rotatorias y reciprocantes), una bomba centrifuga que se opera a velocidad constante puede suministrar cualquier capacidad de cero A un máximo, dependiendo de la columna, diseño y succión. Las curvas características muestran la relación existente entrena de bomba, capacidad, potencia y eficiencia para un diámetro de impulsor especifico y para un tamaño determinado de carcasa. Es habitual dibujar la columna, potencia y eficiencia en función de la capacidad a velocidad constante. Pero en casosespeciales es. Posible señalar en las gráficas tres variables cualesquiera contra una cuarta.

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1)BOMBAS ROTATORIAS Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de "aventar" el líquido como en una bomba centrifuga, una bomba rota. Toña lo atrapa, lo empuja contra la caja fija en forma muy similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante. Pero, a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. Pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos. Incluso puede existir la presencia de sólidos duros en el líquido si una chaqueta de vapor alrededor de la caja de la bomba los puede mantener en condición fluida. TIPOS DE BOMBAS ROTATORIAS Bombas de Leva y Pistón. También se llaman bombas de émbolo rotatorio, y consisten de un excéntrico con un brazo ranurado en la parte superior. La rotación de la flecha hace que el excéntrico atrape el líquido contra la caja. Conforme continúa la rotación> el líquido se fuerza de la caja a través de la ranura a la salida de la bomba. Bombas de Engranes Externos. Éstas constituyen el tipo rotatorio más simple. Conforme los dientes de los engranes se separan en el lado el líquido llena el espacio, entre ellos.Éste se conduce en trayectoria circular hacia afuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes. Los engranes pueden tener

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dientes simples, dobles, o de involuta. Algunos diseños tienen agujeros de flujo radiales en el engrane loco, que van de la corona y del fondo de los dientes a la perforación interna. Éstos permiten que el líquido se comunique de un diente al siguiente, evitando 'a formación de presiones excesivas que pudiesen sobrecargar las chumaceras y causar una operación ruidosa. Bombas de Engrane Interno. Este tipo tienen un rotor con dientes cortados internamente y que encajan en un engrane loco, cortado externamente. Puede usarse una partición en forma de luna creciente para evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba. Bombas Lobulares.- Éstas se asemejan a las bombas del tipo de engranes en su forma de acción, tienen dos o más rotores cortados con tres, cuatro, o más lóbulos en cada rotor. Los rotores se Sincronizan para obtener una rotación positiva por medio de engranes externos, Debido a que el líquido se descarga en un número más reducido de cantidades mayores que en el caso de la bomba de engranes, el flujo del tipo lobular no es tan constante como en la bomba del tipo de engranes. Existen también combinaciones de bombas de engrane y lóbulo. Bombas de Tornillo. Estas bombas tienen de uno a tres tornillos roscados convenientemente que giran en una caja fija. Existe un gran número de diseños apropiados para varias aplicaciones. Las bombas de un solo tomillo tienen unrotor en forma espiral que gira excéntricamente en un estator de hélice interna o cubierta. El rotor es de metal y la hélice es generalmente de hule duro o blando, dependiendo del líquido que se maneje. Las bombas de dos y tres tornillos tienen uno o dos engranes locos, respectivamente, el flujo se establece entre las roscas de los tornillos, y a lo largo del eje de los mismos. Pueden usarse tornillos con roscas opuestas para eliminar el empuje axial en

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la bomba. Bombas de Aspas. Las bombas de aspas oscilantes tienen una serie de aspas articuladas que se balancean conforme gira el rotor, atrapando al líquido y forzándolo en el tubo de descarga de la bomba. Las bombas de aspas deslizantes usan aspas que se presionan contra la carcasa por la fuerza centrífuga cuando gira el rotor. El líquido atrapado entre las dos aspas se conduce y fuerza hacia la descarga de la bomba. Otros Diseños. Las bombas de block de vaivén tienen un motor cilíndrico que gira en una carcasa concéntrica. En el interior del rotor se encuentra en un bloque que cambia en posición de vaivén y un pistón reciprocado por un perno loco colocado excéntricamente, produciendo succión y descarga. La bomba de junta universal tiene un pequeño tramo de flecha en el extremo libre del rotor, soportado en una chumacera y a 80 grados con la horizontal. El extremo opuesto del rotor se encuentra unido al motor. Cuando el rotor gira, cuatro grupos de superficies planas se abren y cierran para producir una acción de bombeo o cuatro descargas por revolución. Unexcéntrico en una cámara flexible produce la acción de bombeo exprimiendo al miembro flexible contra la envoltura de la bomba para forzar el líquido hacia la descarga. Las bombas de tubo flexible tienen un tubo de hule que se exprime por medio de un anillo de compresión sobre un excéntrico ajustable. La flecha de la bomba, unida al excéntrico, lo hace girar. Las bombas de este diseño se construyen con uno o dos pasos. Existen otros diseños de bombas de tubo flexible.

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2)BOMBAS DE PALETAS Las bombas de paletas pueden ser: 1. de paletas deslizantes, con un número variable de ellas montadas en un rotor ranurado. Según la forma de la caja se subdividen en bombas de simple, doble o triple cámara, si bien raramente se emplean tales denominaciones. La mayoría de bombas de paletas deslizantes son de una cámara (monocelulares) Como estas máquinas son de gran velocidad, de capacidades pequeñas o moderadas y sirven para fluidos poco viscosos, se justifica el siguiente tipo en la clasificación. 2. Bomba pesada de paleta deslizante, con una sola paleta que abarca todo el diámetro. Se trata de una bomba esencialmente lenta, para líquidos muy viscosos. 3. Bombas de paletas oscilantes, cuyas paletas se articulan en el rotor. Es otro de los tipos pesados de bomba de paleta. 4. Bombas de patetas rodantes, también con ranuras en el rotor pero de poca profundidad, para alojar rodillos de elastómero en lugar de paletas. Se trata a) de un modelo patentado. 5. Bomba de leva y paleta, con una sola paleta deslizante en unaranura mecanizada en la caja cilíndrica y que, al mismo tiempo, encaje en otra ranura de un anillo que desliza sobre un rotor accionado y montado excéntricamente. El rotor y el anillo ejercen el efecto de una leva que inicia el movimiento de la paleta deslizante. As se elimina el rascado de las superficies. Se trata de una forma patentada que se emplea principalmente como bomba de vacío (“Genevac")' 6. Bomba de paletas flexibles, que abrazan un rotor de elastómero de forma especial, giratoria dentro de una caja cilíndrica. En dicha caja va un bloque en

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media luna que procura un paso excéntrico para el barrido de las paletas flexibles del rotor.

3)BOMBAS RECIPROCANTES Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos, el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o émbolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera. TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes las de acción directa, movidas por vapor y las bombas de potencia. Pero existen muchas modificaciones de los diseños básicos, construidas para servicios específicos en diferentes campos. Algunas Se clasifican como bombas rotatorias por los fabricantes, aunque en realidadutilizan un movimiento reciprocante de pistones o émbolos para asegurar la acción de bombeo. Bombas de Acción Directa. En este tipo, una varilla común de pistón conecta un pistón de vapor y uno de líquido o émbolo. |Las bombas de acción directa se construyen, simple (un pistón de vapor y un pistón de líquido, respectivamente) y duplex (dos pistones de vapor y dos de líquido). Los extremos compuestos y de triple expansión, que fueron usados en alguna época no se fabrican ya como unidades normales.

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Las bombas de acción directa horizontales simplex y dúplex, han sido por mucho tiempo muy apreciadas para diferentes servicios, incluyendo alimentación de calderas en presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite y agua, y muchos otros. Se caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y capacidad. 'Tienen buena eficiencia a lo largo de una extensa región de capacidades. Las bombas de émbolo se usan generalmente para presiones más altas que los tipos de pistón. Al igual que todas las bombas reciprocantes, las unidades de acción directa tienen un flujo de descarga pulsaste. Bombas de Potencia. Estas tienen un cigüeñal movido por una fuente externa generalmente un motor eléctrico, banda o cadena. Frecuentemente se usan engranes entre el motor y el cigüeñal para reducir la velocidad de salida del elemento motor. Cuando se mueve a velocidad constante, las bombas de potencia proporcionan un gasto casi constante para una amplia variación de columna, y tienen buena eficiencia. El extremolíquido, que puede ser del tipo de pistón o émbolo, desarrollará una presión elevada cuando se cierra la válvula de descarga Por esta razón, es práctica común el proporcionar una válvula de alivio para descarga, con objeto de proteger la bomba y su tubería. Las bombas de acción directa, se detienen cuando la fuerza total en el pistón del agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas de potencia desarrollan una presión muy elevada antes de detenerse. La presión de parado es varias veces la presión de descarga normal de las bombas de potencia. Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presión y tienen algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en líneas de tuberías, proceso de petróleos y aplicaciones similares.

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5.2 CURVAS DE FUNCIONAMIENTO. La altura de elevación de una bomba rotodinámica depende fundamentalmente del caudal que circula por ella, lo que quiere decir que va a estar definida por su acoplamiento con el sistema. Si se considera la bomba de forma aislada, la curva que representa la altura proporcionada por la bomba en función del caudal se llama curva característica. La figura 3.4 muestra una curva característica típica de una bomba centrífuga, y la figura 3.5 la de una bomba axial. La pendiente de ambas curvas es negativa, lo que quiere decir que cuanto mayor sea la altura que el sistema exija, menor es el caudal que la bomba puede proporcionar. Algunas bombas tienen curvas H-Q con pendiente positiva en la zona de caudalesinferiores. Es conveniente alejarse de esas zonas porque se puede producir un funcionamiento inestable de la instalación. La potencia requerida por la bomba también depende del caudal. Tiende a aumentar con él en las bombas centrífugas y a disminuir en las axiales. La potencia hidráulica, es decir, la suministrada por la bomba al fluido, es: PotH = ρ g Q H Y el rendimiento de la bomba viene definido por: Donde PotB es la potencia que consume la bomba. El rendimiento es máximo en el punto llamado de diseño de la bomba, y

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disminuye tanto para caudales superiores como inferiores. Normalmente, tanto la potencia como el rendimiento se refieren únicamente a la bomba, sin tener en cuenta el motor que se utiliza para accionarla. Los valores máximos de rendimiento se encuentran entre el 85 y el 90%.

5.3 SELECCIÓN DE EQUIPO. Teóricamente la selección de bombas es un proceso similar al de definición de las dimensiones principales en el diseño. Se parte de la altura de elevación, el caudal y el NPSH. Con el caudal y el NPSH se define el diámetro de entrada y la velocidad de giro, que debe estar limitada a valores prácticos: los posibles motores a emplear. Una vez hecho esto, y dependiendo de la velocidad específica, se elige un tipo de máquina axial, mixta o radial. Para ese tipo de máquina se busca el diámetro específico con el mejor rendimiento (teórico) posible y ya se tiene así definido el tamaño. En este proceso influye también el número de etapas o, en el caso de bombas radiales, el haber elegido una bombacon doble entrada, pues cambia la velocidad específica. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SELECCIÓN En la práctica es necesario un conocimiento completo del sistema y de sus posibles variantes. Por ejemplo, para extraer agua de un pozo se puede utilizar: 1. Una bomba en el exterior. Debe tener un NPSHr adecuado y ser autocebante. En caso contrario deberá instalarse un sistema de cebado. 2. Una bomba vertical con el motor exterior, pero la bomba, o al menos la

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primera etapa, sumergida. No hay problemas de cavitación, pero la sujeción de la bomba es más complicada. 3. Una bomba totalmente sumergida. El motor debe ser estanco. Es aconsejable hacer una revisión de los catálogos disponibles o, mejor aún, hacer la selección conjuntamente con los fabricantes, para decidir qué producto de su gama se adapta mejor a las necesidades planteadas. Aparte del caudal y la altura, algunas características del sistema que van a influir en la elección de la bomba son: 4. La posición de la bomba, ya comentada, que afecta el NPSHd y al cebado. 5. El diámetro de las tuberías, que determina las pérdidas de carga y, por tanto, el punto de operación. El número y disposición -serie o paralelo- de las bombas. 6. El sistema y rango de regulación. 7. Bombeo de líquidos viscosos. Afecta al punto de operación y a la potencia. 8. Bombeo de pastas o líquidos con sólidos en suspensión. Se necesitan rodetes especiales. 9. Bombeo de líquidos corrosivos o similares que exijan materiales o recubrimientos especiales.

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5.4 CALCULODE FENÓMENOS TRANSITORIOS. Un flujo es estacionario o permanente cuando sus parámetros característicos (presión y velocidad) no varían en el tiempo. Si las condiciones del flujo varían en el tiempo, éste es no estacionario, no permanente o transitorio. Se distinguen 3 tipos de transitorios hidráulicos: Transitorio muy lento o cuási-estático, en el que las variables del flujo varían de manera muy lenta en el tiempo (con períodos del rango de intervalos de varias horas hasta varios días). Como un ejemplo se tiene el flujo no permanente en una red de agua potable, cuyos cambios se generan por la variación del consumo y de los niveles de agua en los tanques. Debido a que las variaciones en este tipo de flujo son muy lentas, no es necesario considerar en los métodos de análisis la inercia del flujo ni las propiedades elásticas del fluido y de las tuberías, y el flujo transitorio se puede modelar con una aplicación sucesiva de un modelo estático. Una simulación de este tipo se conoce también con el nombre análisis de períodos extendidos. Transitorio lento u oscilación de masa, que se relaciona ante todo con el movimiento de la masa de agua en la conducción, semejante a la oscilación en dos vasos comunicantes. Los cambios de las variables en este tipo de transitorio son significativos pero no tanto como para tomar en consideración las propiedades elásticas del fluido y de las tuberías. El período de un transitorio de este tipo normalmente es de varios minutos a varias horas, y es suficiente un modelo que consideresolamente el movimiento y la inercia del volumen de agua en las tuberías. Transitorio rápido o golpe de ariete, generado por cambios bruscos de la velocidad en la tubería derivados de maniobras rápidas como la parada

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repentina de una bomba o el cierre rápido de una válvula. Los cambios bruscos en la velocidad se acompañan de cambios bruscos en la presión que se propagan por la tubería, generando ondas de presión de período muy corto (apenas varios segundos). Las variaciones de presión en un transitorio de este tipo son importantes, por lo que resulta necesario considerar los efectos elásticos de la tubería y del líquido. En los proyectos de conducciones para agua potable pocas veces resulta necesario un análisis de períodos extendidos, siendo éste más importante para las redes de distribución. Un caso donde puede resultar necesario, es el caso de una red de conducción con varios tanques con o sin bombeo; para analizar el llenado y vaciado de los tanques en el día. La oscilación de masa representa un caso particular de transitorio rápido en que los efectos de elasticidad son pequeños, gracias a lo cual los modelos que pueden simular transitorios rápidos simulan implícitamente también este fenómeno. En los transitorios hidráulicos rápidos pueden llegar a producirse presiones muy altas o muy bajas (vacíos), debido a lo cual es necesario considerarlos en el diseño de cualquier conducción.

CASOS EN LOS QUE SE PUEDE PRODUCIR EL FENÓMENO Además del caso ejemplificado anteriormente, existen diversas maniobras dondese induce el fenómeno: 1. Cierre y Apertura de Válvulas. 2. Arranque de Bombas. 3. Detención de Bombas. 4. Funcionamiento inestable de bombas.

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5. Llenado inicial de tuberías. 6. Sistemas de Protección contra Incendios. 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. TEORÍA DE BASE DEL FENÓMENO Las Ecuaciones de SAINT VENANT Las ecuaciones que rigen los movimientos transitorios en conducciones a presión son las de SAINT VENANT:

Donde: 7. Z es la altura sobre un plano de comparación arbitrario del eje de la conducción. 8. p/γ es la altura de presión en cada sección y en cada instante (p es la presión y γ el peso específico del agua). 9. U es la velocidad media en cada sección y en cada instante. 10. g es la aceleración normal de la gravedad. 11. J es la "pérdida unitaria de energía hidráulica”. 12. t es el tiempo GERARDO MEDINA TORRES

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13. l es el camino a lo largo del eje (coordenada curvilínea). 14. c es la celeridad o velocidad de propagación del fenómeno transitorio, que resulta (para tuberías de pared delgada): En la que: * ε es el módulo de compresibilidad del agua. * ρ es la masa específica del agua. * D es el diámetrointerno de la conducción. * e es el espesor de la misma. * E es el módulo de elasticidad del material de la conducción. La deducción de estas ecuaciones puede verse en el ANEXO I del presente trabajo. En el ANEXO II, además, se detalla el cálculo de la celeridad "c" para el caso de tubos de pared gruesa y galerías excavadas en rocas. 5.4.1 GOLPE DE ARIETE. Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleración en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula en la línea. El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto

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origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesael impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería. Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como: Donde: 1. es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión, 2. es la velocidad media del fluido, en régimen, 3. es la aceleración de la gravedad.

A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:

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Donde: 1. es el módulo elástico del fluido, 2. es la densidad del fluido, 3. es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la misma, 4. es el espesor de las paredes de la tubería, 5. es el diámetro de la tubería.

Esta expresión se llega a la fórmula de Allievi: Donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor: 1. El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema. Las bombas de ariete funcionan gracias a este fenómeno.

Consecuencias Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc). La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe.

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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, DISPOSITIVOS PARA CONTROLAR EL GOLPE DE ARIETE Para evitar este efecto, existen diversos sistemas: Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempodeberá durar el cierre. Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico. Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales(estos dispositivos son para disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de algún otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del fenómeno del golpe de ariete) Función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, para evitar que se generen vacíos; Función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire; función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de

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grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa. Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torrespiezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad. 5.4.2 CAVITACION La cavitación constituye un fenómeno importante en la selección y operación de bombas, válvulas y otros equipos de control. Puede provocar un mal funcionamiento de la instalación y el deterioro de los elementos mecánicos, dando lugar a costosas reparaciones. Básicamente, la cavitación se produce cuando en algún punto la presión del fluido desciende por debajo de la presión de vapor, formándose entonces burbujas de vapor por ebullición. Se ha comprobado que la presencia de gases disueltos y suciedad favorecen la aparición de estas burbujas, actuando como núcleos de formación. Frecuentemente la cavitación está asociada también con las estructuras verticales turbulentas de las zonas de separación. Las bajas presiones en el centro de los vórtices, combinadas con la depresión de la separación, pueden causar la aparición de burbujas de vapor. Cuando estas burbujas se ven afectadas por una presión superior, se vuelven inestables y colapsan violentamente. Esto provoca ruido, vibraciones y erosión. Una fuerte cavitación reduce el rendimiento de los equipos hidráulicos, pero incluso una cavitación en fase incipiente puede, con el tiempo, llegar a erosionar seriamente las superficies metálicas.

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El término cavitación, se refiere a ciertas condiciones dentro de la bomba, cuando debido a una pérdida de presión localizada, el fluido manejado hierve en ese punto, formando burbujas o cavidades llenas de vapor. Esascavidades desaparecen cuando las burbujas llegan a regiones de la bomba con mayor presión. La cavitación puede ocurrir a lo largo de partes estacionarias de la carcasa o sobre el impulsor. La reducción de la presión absoluta por debajo de la presión del fluido puede ser generalizada en la bomba, o solamente local. Cuando la reducción es generalizada, puede ser resultado De: 1. Un incremento en la altura de succión. 2. Un decremento en la presión atmosférica. 3. Un decremento en la presión absoluta del sistema cuando se está bombeando de un recipiente. 4. Obstrucciones en la succión que provoca incremento en las pérdidas. 5. Un incremento en la temperatura del fluido en la succión. Cuando la reducción es local: Un incremento en la velocidad. Al resultado de cambios de velocidad en el flujo, distorsiones en el mismo, cuando hay un cambio repentino en la dirección el flujo. La cavitación se nota por ruido y vibración, una disminución en la carga y capacidad de la bomba, así como en la eficiencia y produce erosión, en los álabes de los impulsores.

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INVESTIGACION DE LAS FORMULAS DE GOLPE DE ARIETE.

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Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como

, donde: 

es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión, es la velocidad media del fluido, en régimen,



es la aceleración de la gravedad.



A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:

donde: 

es el módulo elástico del fluido,



es la densidad del fluido,



 

es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la misma, es el espesor de las paredes de la tubería, es el diámetro de la tubería.

Para el caso particular de tener agua como fluido:   GERARDO MEDINA TORRES

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Esta expresión se llega a la fórmula de Allievi:

donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor:  El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema.

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





Siendo:



H: 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





Se llama longitud crítica (Lc) al resultado de la ecuación siguiente:

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 

Siendo:



a = celeridad



Tp = el tiempo de parada.



Si la instalación está formada por trozos de tuberías de características variables, como naturaleza del material, diámetro, espesor o timbraje, se hace un cálculo aproximado utilizando valores medios.



 

Este valor lo comparamos con la longitud real de la conducción (L) y según sea, igual, mayor o menor, se aplicarán las fórmulas siguientes:



Fórmula de Allievi (la inmediata inferior)



Cuando L



Fórmula de Michaud (la inmediata superior)



Cuando L



Siendo:



a = celeridad (m/s)



v = Velocidad (m/s)



L = Longitud real (m)

Lc (conducción larga o cierre rápido)

Lc (conducción corta o cierre lento)

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g = aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)

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Tp = tiempo de parada (s).

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= Incremento del golpe de ariete o sobrepresión (m). Este valor se sumará o restará a la presión estática, para calcular el golpe de ariete, positivo o negativo.

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Cuando Lc = L , en este caso se podrá solucionar con cualquiera de las fórmulas: Allievi o Michaud.

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Conocido el incremento del golpe de ariete y sumando o restando a la presión estática, se puede calcular el timbraje de los diferentes tramos de tubería, sabiendo la máxima presión al producirse el golpe de ariete, o instalar válvulas que eviten sobre presiones sobre los timbrajes dados.

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LOS DISPOSITIVOS DE ALIVIO DE GOLPE DE ARIETE.  

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Volante de inercia El aumento de la inercia en el grupo de presión permite aumentar el tiempo de parada y con ello disminuir los efectos del golpe de ariete. Sin embargo su utilización es limitada al tamaño del volante. Cámaras o chimeneas de equilibrio

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Son recipientes de gran altura abiertos que protegen el tramo aguas abajo y reducen la intensidad del golpe de ariete aguas arriba.

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Son comunes en conducciones de alimentación a centrales hidroeléctricas o en impulsiones de abastecimiento, no en entornos industriales.

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Su utilización está muy limitada por la topografía de la zona.

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AFT Impulse puede modelar chimeneas de equilibrio de sección constante o variable, con o sin by-pass y con o sin válvula de retención.

Calderines, pulmones y acumuladores o cámaras de aire

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Son depósitos cerrados cuya parte superior tiene aire o un gas inerte (generalmente nitrógeno) bajo presión y cuya parte inferior tiene un cierto volumen de agua.

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Después de la parada de las bombas, el depósito suministra agua a la tubería descomprimiéndose, reduciendo así el descenso de presión debido al golpe de ariete. Posteriormente, se invierte el sentido del flujo y el agua es de nuevo almacenada en el depósito, comprimiendo el gas.

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AFT Impulse puede modelar calderines con o sin by-pass.

Tanques de alimentación Difiere de una cámara de equilibrio por el hecho de que durante el funcionamiento normal está aislado de la tubería por una válvula de retención. Cuando ocurre una depresión en la tubería por debajo del nivel de agua del tanque, la válvula abre y alimentando el flujo se evita que la depresión aumente.

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El tanque se alimenta por un "bypass", servido de un flotador.

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Están particularmente indicados para proteger puntos altos de la instalación.

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Como es evidente, el tanque solamente puede operar cuando la línea de depresión, tras la parada de los grupos, descienda por debajo del nivel de agua en el tanque.

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AFT Impulse puede modelar tanques de alimentación de sección constante o variable, con o sin by-pass y con o sin válvula de retención.

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Anticipadora de onda

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Válvulas antiretorno

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Intercalar este tipo de válvulas permite seccionar la conducción en tramos más cortos lo que conlleva tiempos característicos menores que los del tubo completo.

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Por otra parte la instalación de este tipo de válvulas como protección de la propia bomba (para evitar flujo inverso) es fuente de transitorios violentos si ocurre una parada brusca.

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Válvulas de seguridad o alivio

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Son dispositivos que derivan un cierto caudal fuera del conducto principal cuando la presión en este sobrepasa el valor de la tara . De esta forma se alivia la presión del interior de la tubería o equipo.

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Presentan el inconveniente que sólo actúan con sobrepresiones, y que salvo montajes excepcionales el caudal derivado sale fuera de la instalación.

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Venteos

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Los venteos se utilizan para evitar depresiones en los conductos, ya que cuando éstas se producen se abren admitiendo aire del exterior. El aire entrante queda dentro de la instalación pero evita el colapso de la tubería.

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En la mayoría de los casos son de doble efecto y funcionan como purgadores automáticos, cuando les llega una burbuja de gas abren para expulsarla al exterior.

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BIBLIOGRAFIA O DIRECCIONES: Ehttp:// golpe%20de%20arite/Golpe%20de%20ariete%20 %20Wikipedia,%20la %20enciclopedia%20libre.htm http:// hidraulica%20del%20sistema%20de%20bombeo.htm http://Cavitación%20-%20Wikipedia,%20la%20enciclopedia%20libre.htm es.wikipedia.org/wiki/Golpe_de_ariete http://www.golpedeariete.com/aft-impulse/dispositivos-antiariete.html http://es.slideshare.net/gerarddomeddina/savedfiles?s_title=bombas-ysistemas-de-bombeo&user_login=rposadap ARCHIVOS PDF: water_hammer_DWFSOM141 bombeoagua EQBOMBEO Analisis Transitorio

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18FenomenosTransitoriosEnLineasDeConduccion Teoria_Tema11_910 08_cavitacion PDF_SistemasdeBombeo2 GuionCurvasBomba http://www.uclm.es/area/ing_rural/trans_hidr/tema10.pdf

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