GOLPE DE ARIETE

El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

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 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, cesa el 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.

PULSO DE ZHUKOWSKI:

Un golpe de ariete se origina debido a que los fluidos que recorren una tubería se encuentran en movimiento, y por tanto tienen una cierta inercia proporcional a su masa. Al cerrar una válvula, se corta el flujo, por lo que se intenta detener repentinamente a toda esa masa en movimiento, que puede ser del orden de cientos o incluso miles de kilogramos.

Entonces el fluido (junto con la tubería) se comporta como un material ligeramente elástico que genera una onda de presión en dirección contraria a la dirección original de movimiento: el golpe de ariete.

Esta onda puede presentar diversas reflexiones y amplificaciones que la dotan de una gran fuerza, siendo una de las mayores causas de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

El golpe de ariete o pulso de Zhukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski, es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

 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 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, cesa el 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.

3   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 estadogaseoso 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.

El golpe de Ariete es el causante principal de las averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

Al cerrar bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de agua que quedan detenidas son presionadas por las que vienen avanzando detrás y aún siguen moviéndose, Esto causa una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad un tanto menor que la velocidad del sonido en el agua.

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. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá 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 piezo métricas 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)

1.     función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, para evitar que se generen vacíos;

2.     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;

3.     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 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 torres piezo métricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.

CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE

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.

La celeridad es la velocidad de propagación de la onda, la cual puede ser calculada por la fórmula:

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:

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.

Las bombas de ariete funcionan gracias a este fenómeno.

En la Ingeniería es muy importante determinar la magnitud de esta sobrepresión con el objeto de poder diseñar las tuberías con suficiente resistencia para soportarla. En las válvulas operadas a discreción la sobrepresión no es muy grande porque se procura que Tv sea grande (cierre lento). Pero en las salidas de operación de equipos ( parada de

bombas, daño de válvulas, etc.) la sobrepresión puede ser muy grande, por lo que se procura disminuirla con válvulas de alivio, cámaras neumáticas, chimeneas de equilibrio, etc.

En la figura tenemos un reservorio, una tubería y una válvula colocada a una distancia "L". Si la válvula se cierra en un tiempo "Tv", se desarrollará una sobrepresión "D h" que viajará con una celeridad "Cs". Cuando la onda llega al reservorio, toda la tubería está dilatada y toda el agua está comprimida por la sobrepresión. Sin embargo, es imposible que en el reservorio exista una presión superior a la carga hidráulica "h", por lo cual la sobrepresión "D h" se reduce a cero en el punto "A".

Igual como sucede en un resorte largo que es estirado y luego dejado libre, la tubería debido a la elasticidad del material de que está hecha, se contrae hasta un tamaño ligeramente menor que el previo a la sobrepresión, produciéndose una salida de agua mayor que el aumento de volumen causado por la sobrepresión.

Este fenómeno es acompañado por una reducción de la presión que, por inercia, debería ser ( en teoría) igual y de sentido inverso a la sobrepresión. Este fenómeno se repetirá continuamente, presentándose una serie de ondas de presión que oscilan entre valores de ( + D h ) y ( - D h ) cada vez menores, debido a la disipación de la energía, hasta que finalmente es sistema se estabiliza llegando a tenerse la presión hidrostática.

FASE O PERIODO DE LA TUBERIA: CLASIFICACION Y DURACION

Se denomina fase o periodo de la tubería el tiempo en que la onda de sobrepresión va y vuelva de una extremidad a otra de la tubería.

Siendo L = longitud de la tubería.

C = Velocidad de propagación de la onda (celeridad)

 

Cuando la onda llega, al regresar, ella cambia de sentido, haciendo de nuevo el mismo recorrido de ida y vuelta en el mismo tiempo T, pero con signo contrario, bajo la fórmula de onda de depresión

El tiempo de cierre de la válvula es un factor importante. Si el cierre es muy rápido, la válvula quedará completamente cerrada antes de actuar la onda de depresión. Por otro lado si la válvula es cerrada lentamente, habrá un tiempo para que la onda de depresión actúe, antes de la obturación completa.

De ahí la clasificación de las manio0bras de cierre.

T = tiempo de maniobra

Si T < 2L / C Maniobra rápida

Si T> 2L / C Maniobra lenta

La sobrepresión máxima ocurra cuando la maniobra es rápida, esto es, cuando T< 2L / C ( todavía no actuó la onda de depresión )

GOLPE DE ARIETE EN LA LINEA DE DESCARGA

El caso más 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 las 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).

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 más 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:

El momento de inercia de las partes relativas de la bomba y el motor.

Características internas de la bomba (efectos sobre la disipación de energía, funcionamiento como turbina).

Condiciones de la bomba en la rama de descarga y comportamiento de la onda de presión.

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.

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,

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

CAMPUS PACHUCA

INGENIERÍA MECÁNICA

DEPARTAMENTO METAL-MECÁNICA

GOLPE DE ARIETE

GUSTAVO OLVERA AGUILAR

PACHUCA, HGO