Acueductos-Golpe de Ariete

1

CRITERIOS DE DISECRITERIOS DE DISEÑÑOOACUEDUCTOS ACUEDUCTOS

RRéégimen Transitoriogimen Transitorio

DocDoc: Ing. Rodolfo E. : Ing. Rodolfo E. DalmatiDalmatiNoviembre 2009 Noviembre 2009

2

¿CUÁNDO SE PRODUCE EL GOLPE DE ARIETE?

Válvula de cierreB

HtHm

Hm= Ht + Σ ΔJ

El GOLPE DE ARIETE ocurre cuando se produce una variación importante de la

velocidad del líquido en un conducto, es decir, cuando se presenta un

MOVIMIENTO TRANSITORIO DE CARACTERÍSTICAS SIGNIFICATIVAS.

3

¿CUÁLES SON LAS CAUSAS?

Las causas más comunes que provocan la aparición del Golpe de Ariete son:

• Cierre y apertura de válvulas

• Arranque y detención de bombas

• Llenado de tuberías

• Cierre de válvulas de aire

• Brusco aumento o reducción de la demanda

• Apertura y cierre de distribuidores en turbinas

4

ECUACIONES DE SAINT VENANT

0tppU

c1U

gD2UU

ftU

g1

g2Upz

2

2

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+∂∂

+∂∂

ρ

−∂∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

γ+

∂∂

ll

l

Recordando las 2 ecuaciones de Saint Venant:

Es un sistema de ecuaciones en derivadas parciales que no tiene una

SOLUCISOLUCIÓÓN GENERALN GENERAL,

pero sí pueden plantearse

SOLUCIONES SIMPLIFICADAS SOLUCIONES SIMPLIFICADAS y SOLUCIONES PARTICULARESSOLUCIONES PARTICULARES.

(1)

(2)

5

Celeridad de la onda

eED1

c

⋅⋅ε

+

ρε

=

ε es el módulo de elasticidad del agua ε = 21600 kg/cm2 (T = 20º C)

E es el módulo de elasticidad del material

ρ es la densidad del agua

D es el diámetro de la tubería

e es el espesor de la tubería

6

Celeridad según material

Los materiales plásticos presentan sobrepresiones de un tercio a un medio de las correspondientes a los materiales rígidos en

condiciones similares.

Material Celeridad(m/s)

Acero 900 - 1000Hormigón Pretensado 1000 - 1200Hierro Dúctil 1000 - 1100PRFV 400 - 600PVC 230 - 350PEAD 200 - 300

7

CONTROL DEL GOLPE DE ARIETE

Adecuada selección de válvulas y ley de cierre

Válvula de alivio

Chimenea de equilibrio

Válvulas de aire (presiones negativas)

Dispositivos adecuados para acueductos a gravedad

Cámara de aire o botellones antiariete

Válvula de alivio o anticipadora de onda

Depósito de descarga

Válvula de ingreso de aire y egreso controlado

Dispositivos adecuados para impulsiones

8

Válvula de cierre

Los dispositivos adecuados van depender del tipo de instalación y del material, pues difiere el grado de protección si la tubería es rígida (por ejemplo HºPº) o flexible (PRFV, PEAD o PVC)

CONTROL DEL GOLPE DE ARIETEDispositivos adecuados para acueductos a gravedad

9

TIEMPO DE CIERRE = 10 seg Inicia el cierre = 0 seg

Finaliza el cierre = 10 seg

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12TIEMPO (segundos)

GR

AD

O D

E A

PER

TUR

A (

%)

MANIOBRAS DE CIERRE - VELOCIDAD CONSTANTE

10

-2 0 2 4 6 8 10 12Tiempo (seg)

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250C

auda

l (l/s

eg)

VÁLVULA ESCLUSA

Outlet Inlet

TIEMPO DE CIERRE = 10 seg

Inicia el cierre = 0 seg


LEY DE CIERREVALVULA ESCLUSA

LEY LINEAL

11

TIEMPO DE CIERRE = 10 seg

Inicia el cierre = 0 seg


-2 0 2 4 6 8 10 12Tiempo (seg)

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250C

auda

l (l/s

eg)

VÁLVULA MARIPOSA

Outlet Inlet

LEY DE CIERREVÁLVULA MARIPOSA

LEY LINEAL

12

TIEMPO DE CIERRE = 30 seg t = 0 seg 100% abierta

t = 10 seg 10% abierta

t = 30 seg 0% abierta (cerrada)

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40TIEMPO (segundos)

GR

AD

O D

E A

PER

TUR

A (

%)

MANIOBRAS DE CIERRE - CON 2 VELOCIDADES

13

CON VELOCIDAD UNIFORME

COMPARACIÓN DE LEYES DE CIERRE

-5 0 5 10 15 20 25 30 35Tiempo (seg)

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250C

auda

l (l/s

eg)

VÁLVULA ESCLUSA

-2 0 2 4 6 8 10 12Tiempo (seg)

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

Cau

dal (

l/seg

)

VÁLVULA ESCLUSA

CON 2 VELOCIDADES

14

CISTERNAV.M.

V.R.

500

700

250


Adecuada selección de válvulas y ley de cierre

CISTERNAV.M.

V.M.

D2

D1

D3

D1 > D2 > D3

(700 > 500 > 250)

1. Válvulas reguladoras

2. Válvulas mariposa

3. Válvulas esclusa

15

Plano válvulas en paralelo con alivio

16

Válvulas en paralelo

17

Válvula de alivio o antiariete

Consiste en una válvula a resorte o diafragma que, cuando la presión supera un valor predeterminado, permite la salida de un flujo de agua al exterior. El resorte debe poseer baja inercia para cerrar rápidamente cuando desciende la presión.

Válvula de alivio

Válvula de cierre

←← ←


18

Plano típico válvula de alivio

19

Válvula de alivio

20

Descarga válvula de alivio

21

Descarga válvula de alivio sin protección

22


La chimenea de equilibrio permite la reducción del golpe de ariete en el Tramo 2 por la reflexión parcial que se produce, y transforma el fenómeno en el Tramo 1 en una oscilación de masas.

T


Tubería de presión

Túnel de conducción

1

2


23

CONTROL DEL GOLPE DE ARIETEDispositivos adecuados para acueductos a

gravedadVálvulas de aire

En determinadas ubicaciones pueden aliviar las depresiones.

El funcionamiento de las válvulas de aire como dispositivos antiarietereduciendo las presiones negativas, presenta ventajas con respecto a métodos tradicionales, tanto económicas como operativas.

24

0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4Distance

05

10

152025

Hea

d

System Profile

Pk 3500

Pk 3500

ESQUEMA DEL MODELO D = 600 mm

Chw = 120

Q = 300 l/seg (1080 m3/h)

c = 1000 m/seg

25

0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4Distance

05

101520253035404550

Hea

d

Time 49.067

0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4Distance

05

101520253035404550

Hea

d

Time 53.867

0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4Distance

05

101520253035404550

Hea

d

Time 54.934

Modelación del cierre de válvula en 60 seg - Velocidad de cierre uniforme

26

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220sec.

0

20

40

60

80

100

120

mw

c

Valve closing in 60sec

Presión aguas arriba de la válvula

Presión negativa!


27

0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4Distance

020406080

100120

Hea

d

Org

Diagrama envolvente de presiones a lo largo de la tubería


28

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220sec.

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

m3/

s

Variación de caudal en correspondencia con la válvula

Reducción del 25% del caudal en los primeros 50 seg.

Reducción de 75% del caudal en los últimos 10seg, que es el tiempo efectivo del cierre.


29

Prog 3500


CON VÁLVULAS DE AIRE

D = 600 mm

Chw = 120

Q = 300 l/seg (1080 m3/h)

c = 1000 m/seg

30

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200sec.

-20

0

20

40

60

80

100

120

mw

c

Presión aguas arriba de la válvula.



31

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200sec.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

m3

ch.3500 A/v valve

Volúmenes de aire

Aguas arriba de la válvula

Prog 3500



32

Válvula Controladora

Modelación del cierre de válvula - Velocidad de cierre NO uniforme

CON VÁLVULA DE CONTROL

33

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200sec.

0

20

40

60

80

100

120

mw

c

Presión en correspondencia con la válvula

25m Línea



34

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200sec.

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

m3/

s

Caudal en correspondencia con la válvula



35

0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4Distance

020406080

100120

Hea

d

g

0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4Distance

020406080

100120

Hea

d

Time 0.1

Velocidad uniforme

Velocidad Controlada

Modelación del cierre de válvula - Comparación de diagramas envolventes

36

DISPOSITIVOS PARA IMPULSIONES

I) Topografía predominante

B

HtHm

Hm= Ht + Σ ΔJ

BV.R.

HmHt

Hm= Ht + Σ ΔJ

V.M.

Σ ΔJ predominante

II) Fricción predominante

37

Dispositivos para impulsiones

I) Topografía predominante

B

HtHm

Hm= Ht + Σ ΔJ

En este caso se produce el retorno de la columna líquida cuando se detiene la bomba.

Se deben controlar:

1) Sobrepresión (caño rígido)

2) Depresión (caño flexible)

Dispositivos más adecuados:

1 y 2 → Cámara de aire

1 → Válvula de alivio o anticipadora de onda

38


Cámara de aire o botellón antiariete

La cámara de aire se coloca con el fin de de transformar el golpe de ariete en una oscilación de masa. Se produce una importante atenuación tanto en las depresiones como en las sobrepresiones ya que al detenerse la bomba, la cámara entrega caudal a presión y al producirse la sobrepresión el aire funciona como amortiguador.

BV.R. V.M.

39

Planos típicos de botellones antiariete

VÁLVULAMARIPOSA

TK4

VÁLVULAMARIPOSA

TK5

VÁLVULAMARIPOSA

TK6

TK1

MARIPOSAVÁLVULA

TK2

TK3

MARIPOSAVÁLVULA

VÁLVULAMARIPOSA

CONEXIÓN A ACUEDUCTO

40

Planos típicos de botellones antiariete

BOTELLÓN DE ACERO

PS

PS

DRENAJE

PI VÁLVULA MARIPOSA

VÁLVULA DE SEGURIDAD

POZO BOMBA DE ACHIQUE

41

Estación de bombeo con Botellones antiariete

42

Botellones antiariete

43

Colector Botellones antiariete

44

Detalles de Botellones antiariete

45


Válvula de alivio o antiariete

Consiste en una válvula a resorte que salta cuando la presión supera un valor predeterminado, permitiendo la salida de un flujo de agua al exterior. El resorte debe poseer baja inercia para cerrar rápidamente cuando desciende la presión

V.R. V.M.B

V.A.

+ ΔH

PRESIÓN TIMBRE

46

Válvula de Alivio en Estación de Bombeo

47

Detalle de Válvula de Alivio

48


Válvula de anticipadora de onda

Consiste en una válvula que abre durante la onda negativa, lo cual presenta la ventaja de estar abierta cuando llega la onda de sobrepresión

V.R. V.M.B

V.A.

+ ΔH

PRESIÓN TIMBRE

49


En este caso se produce una detención muy lenta de la bomba pues el retorno de la columna se produce luego de un tiempo muy largo.

Se debe controlar fundamentalmente la depresión (Crítico para tuberías flexibles).

II) Fricción predominante

BV.R.

HmHt

Hm= Ht + Σ ΔJ

V.M.

Σ ΔJ predominante

50


Permite reducir las depresiones y evitar las separaciones de la columna líquida. No es necesario que el nivel de agua en la cámara sea el piezométrico (si así lo fuera → chimenea de equilibrio).

Depósito de descarga

B

V.R.

V.R.

V. Altitud

V.M.

51

Plano típico depósito de descarga

52

Plano típico depósito de descarga

53

Depósito de Descarga

54

Cámara de Depósito de Descarga

55


En el caso de depresiones que pueden producir vacíos inevitables se colocan válvulas de aire que permitan el ingreso de aire en la conducción, que si bien no es deseable, es preferible a la separación de la columna líquida y la cavitación que producirá en consecuencia.

Válvula de ingreso de aire

B

Línea piezométrica

Δh

Necesidad de válvulas de ingreso de aire

56

Válvula de ingreso de aire

57

Válvulas de aire

58

TRAMO VALLE HERMOSO - CERRO DRAGÓNCOTAS PIEZOMÉTRICAS MÁXIMA, DE SERVICIO Y MÍNIMA (ENVOLVENTE)

Q = 1,273 m3/seg, con 10 botellones antiariete

360370380390400410420430440450460470480490500510520530540550560570580590600610620630640650660

73000 74000 75000 76000 77000 78000 79000 80000 81000 82000 83000 84000 85000 86000

PROGRESIVAS [m]

CO

TA P

IEZO

MÉT

RIC

A H

[m]

Cota extradós tubería simulada [m] Cota piezométrica máxima [m]Cota piezométrica mínima [m] Cota piezométrica de servicio [m]

Acueducto Lago Musters – Comodoro Rivadavia

59

TRAMO VALLE HERMOSO - CERRO DRAGÓNCOTAS PIEZOMÉTRICAS MÁXIMA, DE SERVICIO Y MÍNIMA (ENVOLVENTE)

Q = 1,273 m3/s, con 8 botellones antiariete y depósito de descarga

360370380390400410420430440450460470480490500510520530540550560570580590600610620630640

73000 74000 75000 76000 77000 78000 79000 80000 81000 82000 83000 84000 85000 86000

PROGRESIVAS [m]

H [m

]

Cota extradós tubería simulada [m] Cota piezométrica máxima [m]Cota piezométrica mínima [m] Cota piezométrica de servicio [m]

Acueducto Lago Musters – Comodoro Rivadavia

60

Impulsión a Villa Casa de Piedra

BVAO150mm

7330

m 7940

m

8320

m 8839

m270 m

272 m

320 m

6200mDN450 CL10

3200mDN500 CL6

61

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000Progresiva (m)

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

Cot

a (m

)

DIAGRAMA ENVOLVENTE DE COTAS PIEZOMÉTRICAS


Modelación de corte de energía sin protección antiariete

62


Modelación de corte de energía con válvula anticipadora de onda y válvulas de aire

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000Progresiva (m)

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

Cot

a (m

)


63

0 10 20 30 40 50 60TIEMPO (s)

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

VO

LUM

EN

DE

AIR

E (m

3)

VALVULAS DE AIRE

7330 7940 8320 8839

Impulsión a Villa Casa de PiedraIngreso de aire durante el transitorio

64

Impulsión a Villa Casa de PiedraPresión en válvula anticipadora de onda

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220TIEMPO (s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PR

ES

ION

(mca

)

VALVULA ANTICIPADORA DE ONDA

Internal External

65

Impulsión a Villa Casa de PiedraCaudal en válvula anticipadora de onda

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220TIEMPO (s)

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

CA

UD

AL

(m3/

s)

VALVULA ANTICIPADORA DE ONDA

Outlet Inlet External

66

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000Progresiva (m)

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

Cot

a (m

)



Modelación de corte de energía con cámara de aire

67

Acueducto Santa Fe Centro Oeste – Tramo 1

Modelación de corte de energía sin protección antiariete

0 5000 1.0E+4 1.5E+4 2.0E+4LONGITUD (m)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CO

TA (m

)

TRAMO TRONCAL A1 - PRFV 450 mm / 500 mm

68


Modelación de corte de energía con válvulas anticipadoras de onda y válvulas de aire

0 5000 1.0E+4 1.5E+4 2.0E+4LONGITUD (m)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CO

TA (m

)


69


Modelación de corte de energía con depósitos de descarga

0 5000 1.0E+4 1.5E+4 2.0E+4LONGITUD (m)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CO

TA (m

)


70

Acueducto Santa Fe Centro Oeste

Depósito de Descarga

71

Nuevo Acueducto Río Chubut – Puerto Madryn

Modelación de corte de energía sin protección antiarieteQ = 600 l/seg

0 5000 1.0E+4 1.5E+4 2.0E+4 2.5E+4 3.0E+4 3.5E+4PROGRESIVA (m)

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (m

)

TRAMO 3: LOMA MARÍA - RESERVAS KM 11

72


Modelación de corte de energía con 2 depósitos de descargay válvulas de aire - Q = 600 l/seg


40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)


VA-2

73


0 100 200 300 400 500

0

10

20

30

40

50

Hea

d

VA-2

Internal External


0 100 200 300 400 500

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Vol

ume

VA-2

74




40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)



40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)


75


Modelación de cierre de válvulas en escurrimiento a gravedadQ = 300 l/seg

D = 500 mm

Cierra en 60 s

D = 250 mm

Cierra en 180 s

76


Modelación de cierre de válvulas en escurrimiento a gravedadQ = 300 l/seg

0 5000 1.0E+4 1.5E+4 2.0E+4 2.5E+4 3.0E+4 3.5E+4 4.0E+4PROGRESIVA (m)

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

CO

TA (

m)


77

Modelación de cierre de válvulas en escurrimiento a gravedaddos válvulas en paralelo de 500 y 250 mm en 60 y 180 seg.

0 200 400 600 800 1000TIEMPO (s)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

CA

UD

AL

(l/s)

CIERRE CON 2 VALVULAS EN PARALELO


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Acueductos-Golpe de Ariete