C U UR R S S O O
TURBOMÁQUINAS
CATEDRÀTICO: Ing.
NECIOSUP INCIO CARLOS
GOLPE DE ARIETE ALUMNO
: Castillo
CÒDIGO
: 055622-D : 055622-D
CICLO
: 2010-II : 2010-II
Rojas Víctor Armando
Lambayeque, Junio del 2011
GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete o pulso de Joukowski, llamado así por la ingeniero ruso Nikolái Zhukovski, es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.
Material destruido por un "golpe de ariete". 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 unavelocidad unavelocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo 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 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 valvula 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:
C es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de
sobrepresión o depresión,
V o es la velocidad media del fluido, en régimen, g = 9.81m / s2 es la aceleración de la gravedad.
A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:
donde:
K es el módulo elástico del fluido,
r o es la densidad del fluido,
E es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que
naturalmente depende del material de la misma,
e es el espesor de las paredes de la tubería,
D es el diámetro de la tubería.
Para el caso particular de tener agua como fluido:
r o = 1000kg / m3
K = 2.074E + 09N / m2
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:
λ acero = 0.5
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.
Golpe de Ariete: El Mecanismo El golpe de ariete generado en líneas de distribución de vapor y de recuperación de condensado usualmente se clasifica en dos categorías principales:
Ocasionado por condensado a alta velocidad golpeando contra la tubería, etc. Ocasionado por la condensación repentina del vapor, lo que produce paredes de condensado que chocan unas con otras.
Golpe de Ariete Ocasionado por Condensado a Alta Velocidad Perdidas de calor por radiación ocasiona que se forme condensado dentro de la tubería de transporte de vapor. El vapor fluyendo a grandes velocidades dentro de estas tuberías arrastra el condensado y forma olas. De esta turbulencia, se empiezan a formar gradualmente los proyectiles de condensado y son arrastrados conjuntamente con el vapor. Esto es algo similar a las grandes olas formadas por un fuerte viento. En este caso, el golpe de ariete ocurre cuando estos proyectiles de condensado golpean una válvula o un codo durante su viaje a través de la tubería.
Golpe de Ariete Ocasionado por la Repentina Condensación del Vapor Cuando el vapor pierde su calor, este se convierte en condensado, el cual posee un volumen especifico 1000 veces menor que el del vapor. Así que cuando el vapor entra en contacto con un condensado mas frío hace que el vapor se condense, su volumen es reducido instantáneamente
Durante el proceso de condensación, el espacio ocupado por el vapor se convierte momentáneamente en vacío y el condensado dentro de la tubería sucumbe hacia este vacío. Esta es la segunda forma del golpe de ariete, el cual sucede cuando estas olas de condensado sucumben al vacío y chocan unas con otras. En resumen, es peligroso para las tuberías contener una mezcla de vapor y condensado. Es la forma en la que se produce, sin embargo, en tuberías de recuperación de condensado y sistemas similares, el lugar en el cual se hace mas difícil de resolver. Nótese que este tipo de golpe de ariete no se limita a sistemas de recuperación de condensado, si no que también ocurre en líneas de distribución y en equipo usuario de vapor. Grandes impactos pueden suceder en ambos tipos de golpe de ariete antes mencionados; sin embargo, estos impactos suceden con mucha mayor frecuencia en el segundo caso.
Como afecta al golpe de ariete la temperatura de condensado? Anteriormente se creía que la baja temperatura del condensado, mayor seria el golpe de ariete resultante. Sin embargo, experimentos realizados por TLV revelaron un hecho sorprendente. Se descubrió que los impactos mas severos del golpe de ariete ocurren cuándo la temperatura del condensado es ligeramente la temperatura del vapor. Especialmente, que a una temperatura de vapor de 100ºC, se encontró que el condensado entre la temperatura de 80ºC y 70ºC ocasiono un golpe de ariete a una mayor escala que un condensado de entre 50ºC y 60ºC.,
De hecho, el impacto ocasionado por el golpe de ariete puede ser calculado matemáticamente, y los resultados de dichas calculaciones muestran una fuerte relación entre la intensidad del golpe de ariete y el volumen de la condensación del vapor (=llamadas ”bolsas de vapor”)
Observando mas de cerca la grafica, se pueden identificar tres zonas con temperatura de condensado:
En la parte izquierda de la grafica, el vapor entra en contacto con el condensado frío e inmediatamente se condensa. En este caso, la condensación se presenta en una escala de pequeñas burbujas de vapor y no se logran formar las 'bolsas de vapor' de gran tamaño, por lo tanto solo ocurre un pequeño golpe de ariete. La sección media es de mayor preocupación. Debido a la diferencia de temperatura relativamente pequeña de 20-30°C entre el condensado y el vapor, el vapor no se condensa por completo al mismo tiempo, si no que gradualmente. Mientras que el proceso lento de condensación ocurre, este alcanzara un punto en el que repentinamente todo el vapor se condense. La tardanza creada entre el momento en el que el vapor entra en contacto con el condensado y el momento en el que se condensa repentinamente es lo que permite la formación de bolsas de vapor de mayor tamaño, y por lo tanto un golpe de ariete de mayor tamaño. En la parte derecha de la grafica, el vapor entra en contacto con condensado de la misma temperatura. En este caso, el vapor no se condensa de manera instantánea y no se presenta el golpe de ariete. Esto puede ser confirmado por el hecho de que el golpe de ariete no se presenta exactamente a la salida de la trampa de vapor en donde el condensado y el vapor flash de la misma temperatura están presentes al mismo tiempo.
Sabemos que condensado de entre 70°C y 80°C puede ocasionar un incremento en el tamaño de las 'bolsas de vapor' y con esto generar el golpe de ariete mas severo. Así que; que desata el proceso?, Averígüelo en Golpe de Ariete: Causa y su Locación. Golpe de Ariete: Locacion y Causa
Importancia de Identificar la Localización y Causa El golpe de ariete puede generar un gran impacto con fuerza suficiente como para dañar una válvula de manera instantánea, etc., u ocasionar pequeños daños durante un largo periodo de tiempo. Cualquiera que sea el caso, ambas situaciones pueden generar serios accidentes, por lo que se deben tomar contramedidas. Cuando se trata de prevenir el golpe de ariete, es importante determinar su tiempo y locacion, pero lo es mas importante el determinar la causa mas probable. Dos consejos que se podrían escuchar acerca de el área de trabajo son: 'Cierre inmediatamente la válvula de corte si ocurre el golpe de ariete.' y 'Opere lentamente la válvula de corte.' Cerrar la válvula inmediatamente cortara el flujo de vapor, y el se podría detener el golpe de ariete. Al operar lentamente la válvula, por otro lado, tiene dos principales objetivos:
El de detener el flujo de vapor, el cual debilitara la fuerza de la inercia y esto debilitara los impactos que ocurren dentro de la tubería El prevenir la generación repentina de condensado, el cual limita la cantidad de condensado generado por unidad de tiempo
Al abrir lentamente la válvula, el condensado no puede fluir rápidamente. Esto podría ayudad a prevenir el primer tipo de golpe de ariete, ocasionado por condensado a alta velocidad chocando contra la tubería, etc.
Que pasa si no funciona el operar lentamente la válvula de corte? El golpe de ariete se detiene después de que se cierra la válvula de cierre El golpe de ariete continua una vez cerrada la válvula de corte El golpe de ariete que ocurre aun cuando se corta el suministro de vapor o cuando las válvulas son operadas lentamente es el segundo tipo de golpe de ariete, ocasionado por la repentina condensación del vapor. Las olas' son las que desencadenan este tipo de golpe de ariete. Olas cercanas de condensado atrapan o aíslan bolsas de vapor, lo que ocasiona el golpe de ariete. Con este tipo de golpe de ariete, las ondas de choque creadas por el impacto inicial aíslan mas bolsas de vapor y ayudan para una mayor propagación del golpe de ariete.
Golpe de ariete ocasionado por olas Bolsas de vapor pueden ser atrapadas o aisladas por olas solo si el nivel del condensado dentro de la tubería el lo suficientemente elevado como para poder aislar o atrapar bolsas de vapor contra las paredes de la tubería. Experimentos en TLV revelan que el golpe de ariete empieza a ocurrir cuando el nivel del condensado incrementa aproximadamente a un 80% de la altura del interior de la tubería.
Formación de olas, pero con un bajo nivel de condensado: No hay golpe de ariete Nivel elevado de condensado, pero sin formación de olas: No hay golpe de ariete Formación de olas y nivel elevado de condensado: Se presenta el golpe de ariete Locacion especifica de contramedidas son discutidas en las siguientes seccione:
Contramedidas para las Líneas de Distribución de Vapor Contramedidas para Equipo
Contramedidas para Contramedidas para la tubería de transporte de condensado
Golpe de Ariete en Líneas de Distribución de Vapor El golpe de ariete en líneas de distribución ocurre usualmente cuando se suministra el vapor por primera vez. El método previamente mencionado que consiste en la operación lenta de válvulas podría ayudar si el golpe de ariete es ocasionado por condensado a alta velocidad chocando contra las paredes de la tuberías, etc., pero esto no será efectivo si el golpe de ariete lo ocasiona la condensación repentina del vapor. Ya que el condensado se relaciona con cualquier tipo de golpe de ariete, removerlo apropiadamente conducirá a una solución mas efectiva. Las trampas de vapor deberán instalarse correctamente para que el condensado dentro de la líneas de distribución sea removido de manera rápida y completa. Si el golpe de ariete se sigue presentando aun cuando se presta la atención adecuada al numero y ubicación de las trampas de vapor instaladas, es mas probable que el problema se deba a una incorrecta inclinación de la tubería. Si la inclinación de la tubería no es correcta, el condensado no podrá fluir hacia las trampas como estaba previsto, lo que podría llevar a altos niveles de condensado en ubicaciones no esperadas. En líneas de distribución, incluso una ligera elevación en la tubería puede resultar en golpe de ariete. Cuando se instala la tubería usando una línea de techo o del suelo como referencia, asegúrese de revisar dos veces la pendiente de la tubería.
Pendientes en subida de tuberías de vapor: Ocurre el golpe de ariete Pendientes de bajada de tuberías de vapor: No se presenta el golpe de ariete Dentro de otras posibles causas del golpe de ariete podría deberse a la acumulación de condensado en la terminación de las líneas. Esto es solo una porción de las razones del porque ocurre el golpe de ariete. De acuerdo para eliminar el problema de raíz, se deberá realizar un estudio de la tubería para determinar las causas y el plan de contramedidas exactas.
División de los Métodos de Tubería que Previenen y Ocasionan el Golpe de Ariete
Golpe de Ariete en Equipo El golpe de ariete dentro del quipo, al igual que el golpe de ariete en líneas de distribución de vapor, generalmente es ocasionado debido a un alto nivel de acumulación de condensado. La diferencia entre estas dos es que este tipo de golpe de ariete también ocurre durante la operación estable del equipo.
Tomemos por ejemplo un intercambiador de calor de carcaza y de tubos. Cuando la carga de vapor para el equipo disminuye (debido a factores tales como la reducción en la cantidad de producto a calentar o un incremento en la temperatura del producto), la presión diferencial entre la entrada y la salida de la trampa desaparece, y el condensado comienza a almacenarse dentro de la carcaza. Este fenómeno se conoce como 'stall.' De pendiendo de la contrapresión, la carcaza podría llenarse totalmente de condensado cuando el equipo es apagado. Cuando se suministra vapor a un área que tiene un alto nivel de condensado, este se condensa instantáneamente lo que ocasiona el golpe de ariete. En la mayoría de los casos, esto resulta en pequeños impactos de sedimentos por un corto periodo de tiempo, a diferencia de los impactos violentos que se suscitan en las líneas de distribución. Sin embargo, si este golpe de ariete de pequeños sedimentos se permite que continúe por periodos de tiempo prolongados, podría debilitar el equipo a un punto en el que se fracture repentinamente. Esta ruptura ocurre generalmente bajo condiciones de operación continua, alta presión y carga elevada. Por lo que la rápida descarga del condensado es critica desde un punto de vista preventivo. Para mayor información acerca de este tipo de problema, visita nuestro Tutorial del Stall .
Golpe de Ariete en Intercambiadores de Calor de Carcaza y Tubos Además del Stall, muchas otras situaciones pueden llevar a la acumulación de condensado dentro del equipo. Problemas con las líneas de balance de presión o con la construcción del intercambiador de calor, con tuberías y trampas de vapor instaladas incorrectamente, y con líneas de retorno de condensado en malas condiciones son algunos ejemplos de estas situaciones. Para identificar correctamente y evitar la acumulación de condensado, es necesario necesario determinar de manera adecuada la causa(s), y aplicar las medidas preventivas adecuadamente. Así como en líneas de distribución de vapor, la velocidad de la descarga del condensado combinada con que tan parejo ocurra el proceso, existen dos factores sumamente importantes en la lucha en contra del golpe de ariete en equipo usuario de vapor.
Razones de Porque el Condensado se Acumula en el Equipo Orientación o construcción impropia del equipo Stall Aunque estas contramedidas podrían sonar un poco simples, de hecho no siempre es posible lograrlas.
Casos en los Cuales se Dificultan las Contramedidas
Por ejemplo, una sola bobina de un calentador de fondo en un tanque de 30,000 Kl. de crudo puede exceder los 100m de longitud. La diferencia de nivel entre la entrada y la salida en el calentador resulta con un radio de pendiente de 1 en 300 o 400, la cual es menos de la mitad de la pendiente de un sistema típico de tubería de vapor (1/100-1/200). Con esta pendiente, no siempre es posible que el condensado pueda fluir cuesta abajo de manera natural. En casos como este puede ser difícil resolver completamente el problema, en donde la configuración del equipo no permite un adecuado flujo de descenso. Como se menciona anteriormente, el Stall puede ser otra fuente de dificultades, especialmente en calentadores convencionales. Contramedidas efectivas en contra del golpe de ariete en este tipo de situaciones son, por ejemplo, el uso de una PowerTrap® (la cual usa vapor para bombear y remover el condensado) y bombas de vacío de recuperación de condensado. Golpe de Ariete en Tubería de Recuperación de Condensado El golpe de ariete en la tubería de recuperación de condensado normalmente es ocasionado debido a la interacción de el condensado de baja temperatura y el vapor de alta temperatura. Generalmente este se forma de la presencia dual del condensado y el vapor flash en la tubería. El condensado no puede ser removido para resolver este tipo de golpe de ariete porque la función de la tubería es la de transportar condensado. No existen contramedidas directas en contra del golpe de ariete en este tipo de tubería, solo remedios para reducir sus efectos.
Mecanismo y contramedidas El golpe de ariete en la tubería de recuperación de condensado ocurre de muchas maneras, las cuales son causadas fundamentalmente por la condensación repentina del vapor. Las tres formas mas comunes son:
Golpeteo Cuando se unen dos líneas de recuperación, vapor flash de alta temperatura puede entrar en contacto con el condensado de baja temperatura. Si no se tienen grandes bolsas de vapor, el vapor se condensara rápidamente y generara a una pequeña escala, impactos cíclicos a gran velocidad conocidos como golpeteo. El nombre se deriva del ruido producido como cuando un motor se ahoga.
De contra flujo Este tipo de golpe de ariete ocurre en las uniones en donde las líneas de recuperación de condensado con diferenciales de presión grandes se unen, o en puntos cercanos en donde las líneas de recuperación se unen a un tanque de
flasheo. En estas uniones el vapor de alta presión fluye dentro de las líneas de recuperación de baja presión y se genera el golpe de ariete.
Golpe de ariete ocasionado por el contra flujo de vapor de las líneas de recuperación de condensado Golpe de ariete ocasionado por el contra flujo de vapor de un tanque de flasheo El golpe de ariete del contra flujo es ocasionado por un flujo pulsante de condensado de baja temperatura en la tubería de recuperación, y es observado generalmente en fabricas. Una contramedida en contra de esto es la instalación de una válvula check para prevenir el contra flujo de vapor. Sin embargo, la efectividad de esta contramedida se reduce si la locación o el tipo de válvula check son incorrectos.
De la formación de 'grandes bolsas de vapor' Este es el tipo de golpe de ariete que se encuentra con mayor frecuencia en tuberías de recuperación de condensado. Esto ocurre en puntos en donde la tubería que transporta vapor flash de alta temperatura y la tubería que trasporta condensado a baja temperatura se unen. A diferencia del golpe de ariete resultante del contra flujo, el condensado y el vapor no fluyen en direcciones opuestas para generar el golpe de ariete. En este caso el problema es ocasionado por la formación de bolsas grandes de vapor. Así como el golpe de ariete ocasionado por el contra flujo, el golpe de ariete podría ocurrir en un lugar lejano o aguas arriba de el punto de convergencia de la tubería de recuperación. Si tal fuera el caso, la localización de la causa volverse bastante difícil. Las contramedidas para cada una de estas tres principales formas de golpe de ariete tienen varios puntos en común:
Aseguran que las bolsas de vapor se mantengan pequeñas Interceptan el vapor (eg. Vapor flash) que es la causa del problema, o lo conectan a una línea diferente. Siempre que sea posible, evitan el contacto entre corridas horizontales en las tuberías o vapor de alta temperatura y condensado de baja temperatura.
Nota: Cuando ocurre el golpe de ariete en tuberías de recuperación de condensado, en algunas ocasiones la causa es la misma tubería. Lo cual lo hace mas difícil para predecir la locación o la incidencia del golpe de ariete. Las contramedidas son generalmente investigadas solo después de que se presenta el problema. Por encima de esto, cuando la causa del golpe de ariete es equipo que esta alejado o es operado temporalmente, podría requerir una mas larga y extensa investigación.
Cálculo.
Vamos detallando cada uno de los factores que integrarán su solución
Tiempo de parada. El valor del tiempo de parada influye en el golpe de ariete de modo que a menor tiempo, mayor golpe. Se debe no sólo al cierre de las válvulas, sino también al paro del motor que acciona a la bomba de la conducción y por consiguiente siempre tendremos la obligación de su cálculo. El valor del tiempo de parada viene expresado por una fórmula empírica, que expresa el tiempo en segundos,
Siendo:
T= Tiempo de parada en segundos. C= Coeficiente según la pendiente de la conducción. K= Valor que depende de la conducción. L= Longitud real de la conducción en mts. V= Velocidad del agua en la conducción en m/s g= Constante de la gravedad (9,8 m/seg 2) Hm= Altura manométrica en metros. (En realidad es el tiempo que tarda en anularse la onda de presión y sobrepresión) Se considerará la longitud L desde la toma de agua hasta el depósito o hasta el primer punto de salida (conducciones de instalación para riego)
Valores de C Pendiente
C
40%
0
33%
0,5
20% 0 <
1
Valores de K Longitud
Valor de K
< 500m
1,75
1000m
1,50
>1500m
1,25
2000
1
2.2. Celeridad o aceleración. (celeridad de propagación del fenómeno) Se calculará por la siguiente fórmula:
Siendo a= Celeridad en m/s G= Factor sin dimensión (depende del material de la tubería) D= Diámetro interior en mm e= espesor del tubo en mm.
G= 106/E ; siendo E el coeficiente de elasticidad del material en Kg/cm 2. Para los materiales más usuales, G vale:
Materiales
G
Acero
0,5
Fundición
1
Hormigón armado
5
Fibrocemento
5,5
PVC
33,33
PE (baja densidad)
500
PE (alta densidad)
111,11
Para tubería de fibrocemento utilizaremos las tablas de celridad para fibrocemento o la fórmula sabiendo que G= 5,5
Celeridad en PVC Usando la fórmula de la aceleración y despejando tendremos:
(P realiza la fórmula anterior sustituyendo en los valores del PVC) Siendo P la presión de trabajo de la tubería.
Presión Kg/cm2
Valor de a m/s
4
240
6
295
10
380
16
475
Celeridad en Polietileno de baja densidad
Sustituyendo G por su valor de 500 y despejando obtendremos la fórmula:
P Kg/cm2
a m/s
4
118
6
147
10
196
Celeridad en polietileno de alta densidad La fórmula quedará cuando G= 111,11 en
Presión Kg/cm2
a (m/s)
4
234
6
305
Longitud Crítica Se llama longitud crítica al resultado de la ecuación siguiente: Siendo a la celeridad y T el tiempo de parada. L=a .T /2 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)
Fórmula de Michaud (la inmediata superior) Siendo: a= celeridad en m/s V= Velocidad en m/s L= Longitud real en m g= aceleración de la gravedad T= tiempo de parada en seg. El valor del Incremento de H es el incremento del golpe de ariete.
Incremento del golpe de ariete Este valor se sumará o restará a la presión estática, para calcular el golpe de ariete, positivo o negativo.
Lc=L En este primer caso se podrá solucionar con cualquiera de las fórmulas: Allievi o Micheaud.
Lc>L Cuando la longitud crítica es mayor que la longitud real, se denomina conducción corta y se resolverá con la fórmula de Micheaud.
Lc
GOLPE DE ARIETE EN BOMBAS El golpe de ariete es una gran fuerza destructiva que puede presentarse en cualquier sistema de bombeo, cuando en este el caudal (gasto) cambia repentinamente de un momento a otro cualquiera que sea la causa. Es pues, esencial y necesario que el ingeniero sea capaz de predecirlo (golpe de ariete), a la vez que estima la presión máxima que este puede llegar a producir y si es posible, instalar equipo capaz de reducir esta presión, hasta que quede dentro de los limites de seguridad. El establecimiento de la teoría básica se inicio con las contribuciones de Joukousky y Allievi hace alrededor de 85 años. A estas le siguieron muchas otras
contribuciones como él calculo numérico gráfico y las computadoras. Aun cuando la teoría y el mecanismo de calculo del fenómeno del golpe de ariete en líneas de descarga de bombas centrifugas ha avanzado mucho últimamente, hay muchos aspectos que pueden ser confusos para muchos. Así pues el propósito de este articulo es tratar de aclararlos. Consideraciones básicas: Aquí se expondrán algunas de las suposiciones y consideraciones que debemos tener en cuenta para desarrollar el tema. El fluido dentro de la tubería que lo conduce, se comporta como un cuerpo elástico, de densidad homogénea y se encuentra siempre en estado liquido. El material de la tubería es homogéneo, isotópico y elástico. Las velocidades y presiones que se generan dentro de la tubería, la cual siempre se encuentra llena completamente de fluido, se distribuyen uniformemente sobre cualquier sección transversal de la tubería que se considere. La presión que produce la velocidad del fluido es despreciable cuando se le compara con los cambios de presión que provoca el golpe de ariete. La distancia entre la entrada y salida de la bomba es tan corta que la onda de presión que provoca el golpe de ariete se propaga entre estos dos puntos, de manera instantánea. Los efectos de inercia de partes giratorias, o sea el efecto de volante del impulsor de bombas o del motor del rotor eléctrico, son despreciables en su magnitud durante el cambio de condiciones que impone el golpe de ariete. Se considera que no hay cambio apreciable en los niveles de liquido de los tanques de almacenamiento, tanto de alimentación como de descarga del sistema, que sea de consideración durante el fenómeno del golpe de ariete.
ALGUNOS METODOS PARA CONTRARRESTAR EL GOLPE DE ARIETE 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 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), 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.
ACCESORIOS PARA CONTRARRESTAR EL GOLPE DE ARIETE Válvulas de retención: estas se pueden agrupar en dos clases: de cierre rápido y de cierre lento. El requisito más importante de una válvula de retención es, que al ocurrir la interrupción de la corriente, esta se cierre con una rapidez tal que no se establezca una circulación inversa apreciable. Si debido a las características de circulación del sistema y al diseño de la válvula de retención no se puede cumplir con el anterior objetivo, se tiene que recurrir a unos dispositivos que sean capaces de amortiguar el cierre de la válvula, ya sea en su totalidad o en su finalización. En los sistemas grandes de bombeo, si se utiliza un cierre de una velocidad para la válvula de descarga, después de la interrupción de la corriente, se limitara el aumento de la carga en la tubería de descarga, a un valor aceptable. Si se desea, por otras consideraciones, limitar la velocidad inversa de la bomba, se puede utilizar un cierre de dos velocidades para la válvula, en este caso la válvula en su mayor parte debe ser cerrada con mucha rapidez, hasta el momento en que se invierta la circulación en la bomba. Después debe acabar de cerrarse con una menor velocidad, a fin de limitar el aumento de presión en el tubo de descarga, a un valor aceptable.
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 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. En el libro Hidraulic Institute Standards (Bombas centrifugas, rotatorias y reciprocas), 12a, 1969. Podemos encontrar unas gráficas de fácil manejo de donde se pueden calcular las fluctuaciones en la tubería ocasionadas por el arranque o paro súbito de una bomba.
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.
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 másenergía, 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, 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 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 bombaeléctrica, 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 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 piezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión
atmosférica, o válvulas de seguridad. Golpe de Ariete: Conclusión Podría ser sorprendente, pero una imagen térmica, la cual provee una imagen visual de la distribución de la temperatura, es una manera bastante efectiva para la identificación de los lugares donde se presenta el golpe de ariete. Ya que la superficie de la tubería debe de estar expuesta para poder usar esta técnica, las imágenes deben de ser tomadas durante la prueba de operación antes de que se aplique cualquier aislamiento. Una vez que el aislamiento se encuentra instalado, se puede remover temporalmente con el propósito de toma de imágenes.
Cambios en la temperatura de la tubería antes y después del golpe de ariete
Como discutimos anteriormente en esta serie, cuando la diferencia de temperatura entre el condensado y el vapor se encuentra dentro de cierto rango, es particularmente sencillo que se presente el golpe de ariete (vea aquí). Identificando los lugares en donde estos cambios de temperatura tienen lugar acelerara el proceso para llevar a cabo las contramedidas.
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 imperativo que de igual manera se tomen medidas en contra de este tipo de golpe de ariete.
LINKOGRAFÍA: es.wikipedia.org/wiki/ Golpe_de_ariete html.rincondelvago.com/ golpe-de-ariete.html www.inea.uva.es/web/materiales/web/.../tema6.htm www.uclm.es/area/ing_rural/Trans_hidr/Tema10.PDF fluidos.eia.edu.co/.../ golpedearieteenbombas/ golpearieteenbombas.htm www.bombaszeda.com/_upload/Departamento/1/Es_3 Golpe.pdf