- El flujo transitorio puede ser entendido como el cambio rápido y continuo de las condiciones estacionarias de un sistema, efecto de una variación del caudal.
- El flujo transitorio en un sistema de conductos presurizados se origina por la variación del caudal en el sistema y produce una perturbación; en el caso de un sistema de bombeo esta variación de caudal se da por el cambio de la velocidad de rotación del grupo motor – bomba; y esto origina variaciones en el tiempo y espacio de los parámetros característicos del sistema, sobretodo cambios en la carga de presión (sobrepresiones y depresiones).
- La perturbación transitoria (variación del caudal) puede darse en diversos tiempos y la respuesta del sistema a esta variación está intrínsecamente ligada a ese tiempo de ocurrencia; a decir, mientras el tiempo de la perturbación transitoria sea más rápido las variaciones en la carga de presión serán más drásticas y de mayor magnitud. En tanto que si el tiempo de variación de caudal es más prolongado, la respuesta del sistema será más tenue y de menor proporción, produciendo menores efectos perjudiciales en los componentes del arreglo hidráulico.
- El golpe de ariete en una impulsión se produce en un ciclo de 4 eventos relacionado a la traslación de la onda en los conductos; en donde en primera instancia tiene lugar una despresurización de todo el sistema, posteriormente el sistema adopta las condiciones de flujo
estacionario, para que en el tercer evento se produzcan sobrepresiones y nuevamente condiciones de flujo estacionario. Estos eventos ocurren bajo la suposición que en la salida de la estación de bombeo se encuentra instalada una válvula de retención que proteja a las bombas de un drástico flujo inverso y confine al transitorio a la impulsión.
La válvula de retención deberá cerrarse en un tiempo no mayor al periodo de la impulsión 2L/a.
- Uno de los métodos de resolución del flujo transitorio en general y que cuenta con gran utilidad y difusión continua, es el método de las características que utiliza varios artificios y simplificaciones matemáticas para linealizar las ecuaciones fundamentales de flujo transitorio (método elástico). Este método trabaja en el plano tiempo – espacio para la resolución paso a paso de los sistemas, involucrando también al método de diferencias finitas, las ecuaciones características y las condiciones de frontera.
- Dado que las ecuaciones fundamentales del flujo transitorio refieren
derivadas parciales cuyas soluciones son funciones hiperbólicas, se requiere que el método resolutivo sea convergente y estable a fin de alcanzar soluciones satisfactorias.
Para el método de las características se aplica el criterio de Courant, en donde se relaciona el diferencial de tiempo Δt, diferencial de espacio Δx y la celeridad de onda.
Para definir estos valores Δt y Δx es necesario realizar un ajuste a la celeridad de onda en todos los tramos, mediante un método iterativo.
- Para la simulación del flujo transitorio en un sistema de bombeo por
el método de las características, es necesaria la determinación de la condición de frontera impuesta por las bombas, determinación que se la realiza mediante un sistema de 5 ecuaciones que se denomina ‘sistema de enlace’ siempre y cuando las bombas trabajen en el
primer cuadrante. Estas ecuaciones están referidas por las curvas características de las bombas Q vs. H y Q vs. η a diferentes velocidades de rotación, además de la ecuación general del torque transmitido hacia el rodete y las ecuaciones características del sistema.
- El caso más crítico que se asocia al flujo transitorio en impulsiones es la parada accidental de la estación de bombeo, evento que puede originarse por una falla en el suministro eléctrico del motor o por deficiencias en la operación; por ende la suspensión del torque que se transmite hacia el rodete de la bomba, esto ocasiona una variación de caudal en el tiempo hasta llegar a anularse por completo.
- El tiempo de parada (tiempo de perturbación transitoria) de las bombas está principalmente influenciado por el momento polar de inercia WR² que se estime para el grupo motor-bomba; cuan mayor sea el WR² mayor será el tiempo de parada de la bomba y los efectos del transitorio se verán disminuidos.
- Es muy frecuente que los fabricantes de las bombas y motores no provean un valor preciso del momento polar de inercia; por tanto se debe recurrir a la utilización de fórmulas empíricas para estimar este importante parámetro, no obstante, siempre será recomendable realizar un análisis previo utilizando la mayor cantidad de ecuaciones para seleccionar el momento polar de inercia adecuado.
Para estudios previos y conservadores será ideal adoptar el mínimo valor del momento polar de inercia.
- El flujo transitorio que tiene lugar en un sistema de bombeo produce
importantes variaciones en la carga de presión, sobrepresiones y depresiones.
Las depresiones que se producen por la pérdida de energía del sistema (shut-down de las bombas) pueden causar el fenómeno de separación de la columna líquida, vaporización del fluido, cavitación y deformaciones de los conductos.
Las sobrepresiones pueden originar el fallo de las tuberías al sobrepasar los rangos admisibles de trabajo.
- Existen varios dispositivos para el control de transitorios en sistemas de bombeo; entre los más utilizados tenemos a tanques unidireccionales, chimeneas de equilibrio, cámaras de aire, incremento del momento polar de inercia y la inclusión de válvulas. La aplicación de estos dispositivos en las diferentes configuraciones de los sistemas de bombeo, requiere de un proceso iterativo prueba – error y de mucha habilidad para ubicarlos conociendo el modo de funcionamiento y sus límites de aplicación.
- La metodología que se propone para conformar un modelo numérico
de flujo transitorio en una impulsión, requiere de mucho orden y análisis previo. Como ayuda para este proceso se ha creado la aplicación FTB 1.0 que contiene varios módulos de cálculo para que el usuario pueda desarrollar fácilmente el modelo numérico en cualquier software comercial.