GOLPE DE ARIETE Descripción golpe e de ar arie iete te o pu puls lso o de Zhuko Zhukows wski ki (lla El golp (llama mado do as asíí por por el inge ingeni nier ero o ruso Nikolái Zhukovski) Zhukovski) es, junto a la cavitación cavitación,, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas. El golpe de ariete se origina debido a ue el !uido es ligeramente elástico elástico (aunue (aunue en diversas situaciones se puede considerar como un !uido no co comp mpre resi sibl ble) e).. En co cons nsec ecue uenc ncia ia,, cuan cuando do se cier cierra ra brus brusca came ment nte e una válvula válvula o o un gri"o instalado en el e#tremo de una tubería tubería de de cierta cierta longitud, longitud, las partículas de !uido ue se han detenido son empujadas por las ue vienen inme nmediat diatam ame ente nte det detrás rás $ ue ue sigu sigue en a%n a%n en movi ovimient iento o. Esto sto ori origina gina una sobrepresión ue ue se desp despla la&&a por por la tuber uberíía a una una velocidad ue puede puede superar la velocidad del sonido en sonido en el !uido. Esta sobrepresión tiene dos e"ectos' comprime ligeramente el !uido, reduciendo su volumen volumen,, $ dilata ligeramente la tubería. uando todo el !uido ue circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso ue la comprimía $, por tanto, sta tiende a e#pandirse. *or otro lado, la tubería ue se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal normal.. onjun onjuntam tament ente, e, estos estos e"ecto e"ectoss provoc provocan an otra otra on onda da de pr pres esió ión n en el sentido contrario. El !uido se despla&a en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. +l reducirse la presión, el !uido puede pasar a estado gaseoso gaseoso "ormando "ormando una burbuja mientras ue la tubería se contrae. +l alcan&ar el otro e#tremo de la tube tuberí ría, a, si la onda onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmos"rica,, se re!ej atmos"rica e!ejar ará á sie siendo ndo mitiga tigada da prog progrres esiivam vament ente por por la prop propia ia resistencia a la compresión del !uido $ la dilatación de la tubería. Teoría general a "uer&a de inercia del líuido en estado dinámico en la conducción, origina tras el cier cierre re de válv válvul ulas as,, unas unas depr depres esio ione ness $ pres presio ione ness debi debidas das al movi movimi mien ento to ondulatorio de la columna líuida, hasta ue se produ&ca el paro de toda la masa líuida. as depresiones o sobre presiones empie&an en un má#imo al cierre de válvulas o parada del motor, disminu$endo hasta el -nal, en ue desaparecerán, uedando la conducción en rgimen estático. estático. En el valor del golpe de ariete in!uirán varios "actores, tales como la velocidad del tiempo de parada, ue a su ve& ue a su ve& puede ser el cierre de la válvula de compuerta o el paro del motor. tros "actores serían' la velocidad del agua dentro de la conducción, el diámetro de la tubería, etc. etc. *ara evit evitar ar es este te incr increm emen ento to del del golpe golpe de arie ariete te o so sobr brep epre resi sión ón crea creada, da, se instal instalará arán n varios varios ele elemen mentos tos como' como' /álvula álvulass de reten retenció ción, n, calder calderine iness de aire, aire, chimeneas de euilibrio, válvulas antiariete, etc. Este "enómeno es mu$ peligroso, $a ue la sobrepresión generada puede llegar a entre 01 $ 211 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los e#tremos (gri"os, válvulas, etc). a "uer&a del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del condu co nduct cto, o, $a ue ue las las onda ondass de so sobr brep epre resi sión ón se ca carg rgar arán án de má máss energía energía,, e Alexander Alexander Reyes Rodríguez Rodríguez
inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave' cuanto menos dura el cierre, más "uerte será el golpe. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de !uido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las deplomo, arranca codos instalados.
Ecuación de Allievi 3e llama longitud crítica ( c) al resultado de la ecuación siguiente'
3iendo' a 4 celeridad 5p 4 el tiempo de parada. 3i la instalación está "ormada por tro&os de tuberías de características variables, como naturale&a del material, diámetro, espesor o timbraje, se hace un cálculo apro#imado utili&ando valores medios.
Este valor lo comparamos con la longitud real de la conducción () $ seg%n sea, igual, ma$or o menor, se aplicarán las "órmulas siguientes'
Fórmula de Allievi (la inmediata in"erior)
uando
c (conducción larga o cierre rápido)
Fórmula de Michaud (la inmediata superior)
uando
c (conducción corta o cierre lento) Alexander Reyes Rodríguez
3iendo' a 4 celeridad (m6s) v 4 /elocidad (m6s) 4 ongitud real (m) g 4 aceleración de la gravedad (7,8 m6s9) 5p 4 tiempo de parada (s). 4 :ncremento 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. uando c 4 , en este caso se podrá solucionar con cualuiera de las "órmulas' +llievi o ;ichaud. onocido el incremento del golpe de ariete $ sumando o restando a la presión estática, se puede calcular el timbraje de los di"erentes tramos de tubería, sabiendo la má#ima presión al producirse el golpe de ariete, o instalar válvulas ue eviten sobre presiones sobre los timbrajes dados.
Leyes Iniciales de apertura y cierre Leyes de maniobras de cierre y apertura
*ara poder obtener los valores de la carga pie&omtrica $ la velocidad en el órgano de control cuando ste se somete a una maniobra de cierre o apertura, es necesario conocer la le$ con la cual se e"ect%a dicha maniobra. on este -n, a continuación se indican las ecuaciones ue pueden utili&arse para los casos más comunes ue corresponden a condiciones iníciales de apertura o cierre total. Ley para una maniobra de cierre uniforme o lineal (Ecuación de continuidad)
El órgano de control, se somete a una maniobra de cierre o apertura siguiendo una determinada le$, la ecuación de continuidad aplicada en una sección transversal ubicada aguas arriba del mismo ue conduce a lo siguiente'
+hora bien, al inicio de la maniobra cuando el !ujo es permanente en el conducto, seg%n la ecuación, $a ue =o 4 2 $ en "orma análoga, la velocidad al trmino de la misma cuando el "lujo es nuevamente permanente es /"4 /o=". .
Alexander Reyes Rodríguez
Ley para maniobrar de cierre y apertura no uniformes.
uando ha$ una le$ de cierre o apertura no uni"orme, se tendrá una variación = con respecto al tiempo. En este caso resulta conveniente hacer una grá-ca semejante a las ue se indican de acuerdo a las características de la maniobra e interpolar de este el valor deseado de =, o bien, si se dispone de la computadora para simular la maniobra mediante líneas rectas como las ue se muestran.
Protección contra el golpe de ariete •
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*ara evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, ha$ ue estrangular gradualmente la corriente de !uido, es decir, cortándola con lentitud utili&ando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. uanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre. 3in embargo, cuando la interrupción del !ujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba elctrica, se utili&an tanues neumáticos con cámara de aire comprimido, torres pie&omtricas o válvulas de muelle ue puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico. tro mtodo es la colocación de ventosas de aireación, pre"eriblemente tri"uncionales (estos dispositivos son para disminuir otro e"ecto ue se producen en las redes de agua o de alg%n otro !uido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del "enómeno del golpe de ariete). 2. "unción' introducir aire cuando en la tubería se e#traiga el !uido, para evitar ue se generen vacíos> 9. "unción' e#tracción de grandes bolsas de aire ue se generen, para evitar ue una columna de aire empujada por el !uido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire> ?. "unción' e#tracción de peue@as bolsas de aire, debido a ue el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema ue permite la e#tracción de grandes cantidades $ otra vía para las peue@as bolsas ue se puedan alojar en la misma ventosa. tro caso com%n de variación brusca de la velocidad del !ujo en la tubería se da en las centrales hidroelctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de vol%menes importantes de !uido ue deben ser absorbidos, se utili&an en la ma$oría de los casos torres pie&omtricas, o chimeneas de euilibrio ue se conectan con la presión atmos"rica, o válvulas de seguridad.
En una instalación en la ue e#ista el riesgo de ue se produ&ca el golpe de ariete, es necesario de-nir las protecciones ue se van a introducir al sistema para minimi&ar sus e"ectos hasta niveles ra&onables. El dimensionado estructural de las tuberías debe resistir sobrepresiones $ depresiones transitorias. Volante de inercia Alexander Reyes Rodríguez
El aumento de la inercia en el grupo de presión permite aumentar el tiempo de parada $ con ello disminuir los e"ectos del golpe de ariete. 3in embargo su utili&ación es limitada al tama@o del volante.
Cámaras o chimeneas de equilibrio
3on recipientes de gran altura abiertos ue protegen el tramo aguas abajo $ reducen la intensidad del golpe de ariete aguas arriba. 3on comunes en conducciones de alimentación a centrales hidroelctricas o en impulsiones de abastecimiento, no en entornos industriales. 3u utili&ación está mu$ limitada por la topogra"ía de la &ona.
Calderines, pulmones acumuladores o cámaras de aire
3on depósitos cerrados cu$a parte superior tiene aire o un gas inerte (generalmente nitrógeno) bajo presión $ cu$a parte in"erior tiene un cierto volumen de agua. Aespus de la parada de las bombas, el depósito suministra agua a la tubería descomprimindose, reduciendo así el descenso de presión debido al golpe de ariete. *osteriormente, se invierte el sentido del !ujo $ el agua es de nuevo almacenada en el depósito, comprimiendo el gas.
!anques de alimentación
Ai-ere de una cámara de euilibrio por el hecho de ue durante el "uncionamiento normal está aislado de la tubería por una válvula de retención. uando ocurre una depresión en la tubería por debajo del nivel de agua del tanue, la válvula abre $ alimentando el !ujo se evita ue la depresión aumente. El tanue se alimenta por un Bb$passB, servido de un !otador. Están particularmente indicados para proteger puntos altos de la instalación. omo es evidente, el tanue solamente puede operar cuando la línea de depresión, tras la parada de los grupos, descienda por debajo del nivel de agua en el tanue.
Anticipadora de onda Válvulas antiretorno Alexander Reyes Rodríguez
:ntercalar este tipo de válvulas permite seccionar la conducción en tramos más cortos lo ue conlleva tiempos característicos menores ue los del tubo completo. *or otra parte la instalación de este tipo de válvulas como protección de la propia bomba (para evitar !ujo inverso) es "uente de transitorios violentos si ocurre una parada brusca.
Válvulas de seguridad o alivio
3on dispositivos ue derivan un cierto caudal "uera del conducto principal cuando la presión en este sobrepasa el valor de la tara. Ae esta "orma se alivia la presión del interior de la tubería o euipo. *resentan el inconveniente ue sólo act%an con sobrepresiones, $ ue salvo montajes e#cepcionales el caudal derivado sale "uera de la instalación.
Venteos
os venteos se utili&an para evitar depresiones en los conductos, $a ue cuando stas se producen se abren admitiendo aire del e#terior. El aire entrante ueda dentro de la instalación pero evita el colapso de la tubería. En la ma$oría de los casos son de doble e"ecto $ "uncionan como purgadores automáticos, cuando les llega una burbuja de gas abren para e#pulsarla al e#terior.
Alexander Reyes Rodríguez
