Diseño y construcción de un prototipo que genere el golpe de ariete en tuberías

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(1)1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO QUE GENERE EL GOLPE DE ARIETE EN TUBERÍAS. CARLOS ALBERTO BAQUIRO ROJAS ANGELA KATHERINE AGUDELO BOBADILLA ANGIE DANIELA VARGAS GARCÍA. UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL PROYECTO DE GRADO VILLAVICENCIO 2016.

(2) 2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO QUE GENERE EL GOLPE DE ARIETE EN TUBERÍAS. CARLOS ALBERTO BAQUIRO ROJAS ANGELA KATHERINE AGUDELO BOBADILLA ANGIE DANIELA VARGAS GARCÍA. Auxiliar de investigación como requisito para optar al título de ingeniero civil Asesor Técnico Alejandro Novoa Castro Ingeniero Agrícola Esp. Recursos Hídricos. UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL PROYECTO DE GRADO VILLAVICENCIO 2016.

(3) 3. UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA. Dra. MARITZA RODÓN RANGEL RECTORA NACIONAL. Dr. CÉSAR AUGUSTO PÉREZ LONDOÑO DIRECTOR ACADÉMICO DE SEDE. HENRY VERGARA BOBADILLA SUB-DIRECTOR ACADÉMICO. NANCY GIOVANA COCUNUBO DIRECTORA DE INVESTIGACIONES. ING. RAÚL ALARCON BERMÚDEZ DECANO FACULTAD DE INGENIERÍAS. ING. SAULO ANDRÉS OLARTE BURITICA COORDINADOR COMITÉ DE INVESTIGACIÓN PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL PÁGINA DE ADVERTENCIA.

(4) 4. La Universidad Cooperativa de Colombia sede Villavicencio no se hace responsable de los Conceptos emitidos por los autores de este trabajo. PÁGINA DE ACEPTACIÓN.

(5) 5. Nota de aceptación _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________. ________________________________________ Presidente del jurado. ________________________________________ Jurado. ________________________________________ Jurado Villavicencio, Noviembre 2016.

(6) 6 Dedicamos este trabajo primeramente a Dios y a nuestras familias ya que han sido la fuente de apoyo incondicional quienes con sus grandes esfuerzos nos han brindado todos los aportes necesarios tanto moralmente como económicamente, quienes nos han brindado su mano con la ilusión de vernos realizados como profesionales y quienes sin recriminación alguna han dado todo lo mejor de sí mismo para permitir que hoy día estemos aquí.. AGRADECIMIENTOS.

(7) 7 Agradecemos a la Universidad Cooperativa de Colombia por sus aportes en la formación académica y moral para lograr ejercer como profesionales en el área de ingeniería civil.. Por ultimo agradecemos a nuestro tutor el Ingeniero Alejandro Novoa Castro docente de tiempo completo de la sede Villavicencio por su dedicación de tiempo y enseñanza en el proceso, por sus grandes aportes intelectuales a nuestro proyecto y por su incondicional apoyo y acompañamiento para el desarrollo del proyecto.. Tabla de contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 12.

(8) 8 1.. TÍTULO ................................................................................................................................. 13. 2.. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................................. 14. 3.. ANTECEDENTES ................................................................................................................ 16. 4.. OBJETIVOS .......................................................................................................................... 22. 5.. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................. 23. 6.. Marco referencial ................................................................................................................... 24. 6.2.. Marco teórico ................................................................................................................. 24. Explicación del fenómeno ..................................................................................................... 26 Chimeneas de equilibrio. ....................................................................................................... 29 El golpe de ariete aplicado a la ingeniería Bajo el punto de vista de la ingeniería. .............. 36 Arietes hidráulicos en serie y paralelo. .................................................................................. 36 Efectos del Golpe De Ariete .................................................................................................. 37 Golpe de ariete fenómeno hidráulico..................................................................................... 38 Ecuaciones básicas del fenómeno de golpe de ariete. ........................................................... 39 Golpe de ariete por cierre de válvulas. .................................................................................. 41 Golpe de ariete en maniobras de apertura y cierre del distribuidor de las turbinas eléctricas. ............................................................................................................................................... 41 Teorías para el estudio de flujos de fluidos en tuberías. ........................................................ 42 Teoría del modelo rígido. ...................................................................................................... 42 Teoría del modelo elástico ..................................................................................................... 44 Determinación de la posibilidad de golpe de ariete en la conducción. .................................. 45 Descripción del fenómeno en abastecimientos por gravedad. ............................................... 45 Causas por las que se produce. .............................................................................................. 46 Origen de la onda elástica o de presión ................................................................................. 47 El golpe de ariete aplicado a la ingeniería. ............................................................................ 48 6.4. Marco conceptual ............................................................................................................... 51 Golpe de ariete. ...................................................................................................................... 51 Almenaras. ............................................................................................................................. 52 línea de energía. ..................................................................................................................... 52 Línea de conducción. ............................................................................................................. 53 Tiempo de cierre de una válvula............................................................................................ 53 Cierre rápido. ......................................................................................................................... 53.

(9) 9 Cierre lento. ........................................................................................................................... 54 Tubería de impulso. ............................................................................................................... 54 7.. Metodología ........................................................................................................................... 55 7.1 Diseño del Equipo ............................................................................................................... 55 7.2 Sujetos ................................................................................................................................. 56 7.3 Lugar ................................................................................................................................... 56 7.4 Etapas .................................................................................................................................. 56 7.4.1 Investigación Teórica ................................................................................................... 56 7.4.2 Estudios en el laboratorio ............................................................................................. 59 7.4.3 Proceso de diseño ......................................................................................................... 64 7.4.4 Construcción de prototipo ............................................................................................ 65 7.4.6 Comprobación de la sobrepresión ................................................................................ 66. 8.. CRONOGRAMA .................................................................................................................. 67. 9.. RESULTADOS ESPERADOS ............................................................................................. 68. 10.. IMPACTO............................................................................................................................... 69. Impacto científico tecnológico .................................................................................................. 69 El alcance y desarrollo de este proyecto. ............................................................................... 69 Impacto social y económico .................................................................................................. 69 11.. PRESUPUESTO ................................................................................................................ 70. 12.. ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................................................ 73. REFERENCIAS ............................................................................................................................ 75 Lista de figuras Ilustración 1 Diagrama de Cierre instantaneo de Válvula ............................................................ 25 Ilustración 2 Diagrama de presiones del cierre de una válvula .................................................... 28 Ilustración 3 parámetros del golpe de ariete ................................................................................. 30 Ilustración 4 Chimenea de orificio restringido ............................................................................. 32 Ilustración 5 Chimenea con cámaras de expansión ...................................................................... 32 Ilustración 6 Chimenea inferior .................................................................................................... 33 Ilustración 7Almenara en sistemas de tuberías ............................................................................. 34 Ilustración 8 Fase directa. Primer Tiempo t1=l/c.......................................................................... 47 Ilustración 9 .................................................................................................................................. 51.

(10) 10 Ilustración 10 Plano del Prototipo Propuesto................................................................................ 55 Ilustración 11 Manómetros en tubería .......................................................................................... 60 Ilustración 12 Válvula de Bola ..................................................................................................... 61 Ilustración 13 Sistema de Bombeo ............................................................................................... 62 Ilustración 14 Tablero de Medida ................................................................................................. 63 LISTA DE TABLAS. Tabla 1 diámetro de tuberías ......................................................................................................... 56 Tabla 2 cronograma de actividades............................................................................................... 67 Tabla 3 lista de Personal .............................................................................................................. 70 Tabla 4 Equipos ............................................................................................................................ 70 Tabla 5 Materiales e insumos ....................................................................................................... 71 Tabla 6 Resumen de transportes ................................................................................................... 71 Tabla 7 Infraestructura .................................................................................................................. 72 Tabla 8 Rubros .............................................................................................................................. 72 Tabla 9 cálculo de presiones en los 5 manómetros ....................................................................... 72 Tabla 10 Presiones y longitudes ................................................... ¡Error! Marcador no definido..

(11) 11. INTRODUCCIÓN. El siguiente documento pretende mostrar los procedimientos que se realizaron para poder llevar a cabo el desarrollo del proyecto “Prototipo que simula el golpe de Ariete en tuberías”. Actualmente en los laboratorios de hidráulica de la Universidad Cooperativa de Colombia sede Villavicencio, no se encuentra ningún equipo en el que se evidencie este fenómeno llamado golpe de Ariete, por esta razón se vio en la necesidad de suministrarles a las futuras generaciones de estudiantes una herramienta que facilite el entendimiento de dicho fenómeno..

(12) 12. 1. TÍTULO. ¿Qué?: Se diseñará y construirá un prototipo. ¿Sobre qué?: El golpe de ariete en tuberías. ¿Dónde?: En el laboratorio de la Universidad Cooperativa de Colombia. ¿Cómo?: Mediante la guía y supervisión del ingeniero Alejandro Novoa. ¿Cuándo?: Durante todo el segundo semestre del año 2016. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO QUE GENERE EL GOLPE DE ARIETE EN TUBERÍAS PARA LOS LABORATORIOS DE LA UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA.

(13) 13. ¿QUÉ SE VA A INVESTIGAR?. La construcción de un prototipo que muestre el efecto que se genera al cerrar una válvula de manera instantánea en una tubería hidráulica y se conoce como golpe de ariete.. 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ASPECTO DESARROLLO ESTADO ORIGINAL Y EL ESTADO. golpe de ariete. Para que de esta manera los. AL QUE SE QUIERE LLEGAR Actualmente en la universidad cooperativa de Colombia está complementando y. puedan entender de una mejor manera lo. optimizando el laboratorio de hidráulica situación contextual. que realmente ocurre en este fenómeno. Hoy en día el laboratorio de la Universidad. estudiantes del programa de ingeniería civil. Coperativa de Colombia sede Villavicencio y en el proceso de complementación se va a diseñar y construir el prototipo de se encuentra en constante crecimiento debido a la demanda de buenas prácticas de ingeniería, por lo tanto surge la necesidad de implementar un equipo que permita el estudio y la visualización del fenómeno del golpe de ariete, ya que solo se ve teóricamente en el plan de estudio académico del programa de ingeniería.

(14) 14 civil.. Hipótesis o pregunta ¿Se puede crear un mecanismo que dé a los estudiantes información suficiente sobre el efecto de golpe de Ariete en tuberías?. 3. ANTECEDENTES Martin (2010), Mejora de herramienta computacional para el cálculo de golpe de ariete en una línea de tuberías. Desarrollo de una herramienta computacional para el estudio de golpe de ariete en una línea de tubería, con el propósito de verificar el comportamiento de la presión y la velocidad de onda a lo largo de la tubería. Ese estudio se basó en predecir los esfuerzos de la tubería (Debido.

(15) 15 a la expansión y/o contracción que el golpe de ariete produce) bajo la suposición de tuberías de pared delgada sin considerar la existencia de esfuerzos y deformaciones radiales.. Dentro de la investigación se tomó como referente teórico a Axworthy, D, Ghidaoui, M y McInnis, publicaron su investigación sobre: Derivación de la Disipación de Energía Termodinámicamente Extendida en flujo inestable. (Extended Thermodynamics Derivation of Energy Dissipation in Unsteady Pipe Flow). En esta investigación, basándose en principios termodinámicos derivaron una ecuación que sustituye a la ecuación de conservación de momento comúnmente usada en el estudio de golpe de ariete.. Desarrollar la herramienta computacional en un lenguaje informático más completo, con interacción gráfica y ampliarla con la incorporación de las ecuaciones para cálculo de golpe de ariete generado por la detención o parada de bombas.. El modelo matemático aplicado a un sistema reservorio, tubería y válvula se aplica también a un sistema bomba, tubería válvula, aunque con una redefinición de las condiciones de borde y se obtienen todas las variables que son objeto de cálculo en la sobrepresión producida por el golpe de Ariete.. Bertucci (2008), Análisis de Sensibilidad del Comportamiento Transitorio para tubería de transporte de crudo y la base de conocimiento de Estudio de Golpe de Ariete. Realizar el estudio de golpe de ariete de un sistema de bombeo y el análisis de sensibilidades cuanto a la viscosidad del fluido y desarrollar una base de conocimiento que contemple las bases de diseño, los datos de entrada, normas y estándares, herramientas, listas de chequeo y procedimientos que se ajusten a la norma de calidad ISO: 9001-2000 para el Departamento de Ingeniería Mecánica de Y&V Ingeniería y construcción..

(16) 16 Dentro de la investigación se tomó como referente teórico a Geanette (Tutor académico) Mesones (Tutor Industrial) docentes de la misma universidad que por su experiencia laboral guiaron cada uno de los procesos de la investigación se realizó una inducción de la empresa para conocer las características de la organización, la misión, la visión, la política de la calidad, los servicios que brinda, así como también las normas y procedimiento de la misma. El Golpe de Ariete generado por la parada repentina de cualquier combinación de bombas, no representa un peligro para la resistencia mecánica del Nuevo Oleoducto PDT Bachaquero – TDE Pto. Miranda, ya que los picos transitorios de sobre-presión generados nunca son mayores al límite permisible por el oleoducto (1190psig).. Bahamonde (2012) Diseño de un software para el análisis del golpe de ariete en tuberías de presión de centrales hidroeléctricas. El proyecto presenta el diseño de una aplicación en MatLab para el cálculo del golpe de ariete en centrales hidroeléctricas. En una central hidroeléctrica, las variaciones de carga en la red afectan directamente al funcionamiento de las turbinas, y debido a la acción de los reguladores se cierra o se abre la válvula distribuidora, lo cual causa variaciones en el caudal y velocidad del agua que corre hacia la casa de fuerza. Estas variaciones provocan un cambio súbito en la presión de la tubería llamado golpe de ariete.. Ñato (2014) diseño y construcción de un modelo hidráulico para la realización de prácticas estudiantiles sobre el golpe de ariete. obedece a la necesidad del estudio del fenómeno conocido como Golpe de Ariete que afecta a las instalaciones hidráulicas y sanitarias de las edificaciones, así como en centrales hidroeléctricas, dicho fenómeno se presenta en las tuberías por cambios en.

(17) 17 la velocidad del agua por un cierre brusco de válvulas, un paro de los equipos de bombeo o cualquier cambio en la velocidad. Se tomó como referente teórico Allievi ya que es teoría que se acerca más al comportamiento real del fenómeno y ha sido probada en el laboratorio. La ecuación de continuidad y dinámica en este caso están sujetas a las siguientes hipótesis simplificada. Diseñar y construir un modelo hidráulico para la realización de prácticas estudiantiles acerca del Golpe de Ariete mediante la selección de todos los parámetros adecuados para obtener un equipo acorde a las necesidades del Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática en la Carrera de Ingeniería Civil de la Universidad Central del Ecuador.. El equipo autónomo fue diseñado y construido para proporcionar un equipo funcional, adecuado, capaz de fomentar la investigación e incrementar los conocimientos de todos los estudiantes de la carrera de Ingeniería. Gallardo (1997), aplicación del meto do per turbativo diferencial al análisis de sensibilidad en problemas de golpe de ariete en redes hidráulicas el trabajo se generaliza la aplicación del método per turbativo diferencial al análisis de sensibilidad en problemas de golpe de ariete para redes hidráulicas complejas y se analiza la función importancia.. Andrade Lima, y Baliño se toman como referente teórico utilizando el método per turbativo diferencial para el análisis de problemas en centrales nucleares y desarrollar la generalización del formalismo del método per turbativo diferencial a redes hidráulicas complejas (con componentes hidráulicos conectados a más de un tramo)..

(18) 18 Para la resolución del problema adjunto y el cálculo de los coeficientes de sensibilidad se han realizado profundas modificaciones tanto de diseño como de implementación en los programas ADWHATy SANWHAT. Pérez & Guitelman (2005) establecieron métodos numéricos para el cálculo de sobrepresiones, desarrollaron el método de las características que consiste esencialmente en la resolución numérica, con las condiciones de borde impuestas por cada problema. Es importante destacar que el método de las características es el más general que se dispone para resolver el problema, no habiendo simplificaciones que distorsionen los resultados y siendo, además, el más difundido. Se tomó como referente teórico a Jean Claude B. (físico matemático) creador del principio de Saint Venant. El método parte de 2 ecuaciones de Saint Venant introduciendo datos de las variables para simplificar matemáticamente, siendo así una metodología numérica. Esta nueva invención de modelos numéricos dio como resultado el cálculo de sobrepresiones en tuberías determinando valores que dan el origen del golpe de ariete en tuberías. Rodríguez & Pallares (2007) como el golpe de arietes causaba estragos en tuberías, uno de los requisitos esenciales para realizar un correcto diseño de sistemas de distribución de agua era la simulación de la red. Por lo cual destacaron la importancia de los métodos numéricos para determinar el golpe de ariete en tuberías por medio de la simulación. Para la simulación numérica del fenómeno se desarrolló un código en Scilab que permite representar la propagación de las ondas de presión haciendo uso del método de las características,.

(19) 19 aplicado a un caso clásico de la literatura. Este método emplea un esquema de diferencias finitas para resolver las ecuaciones de masa y momento. Tomaron como referente teórico a Bratley, B., Fox, L. A., Springer Verlag, Burden y Faires basándose en sus principios teóricos fundamentales de modelos matemáticos de programación. Llevaron a cabo la investigación mediante la recopilación de ecuaciones y modelos numéricos que se les permitiera ser usados en la implementación de su modelo computacional, de tal forma se considera una metodología analítica e investigativa. Concluyeron que la solución computacional del problema del golpe de ariete con Scilab mediante el método de características les permitió entender de manera más completa y eficiente el comportamiento de las variables de estado: velocidad y altura piezométrica, y existe la posibilidad de variar las condiciones de frontera para diferentes casos como cierres rápidos o lentos. Estos aspectos generan una flexibilidad inigualable frente a las rígidas soluciones teóricas con las cuales se obtienen resultados parciales del fenómeno, como son: los cambios máximos de velocidad y presión. Pérez & Huélamo (2014) implementaron un sistema a vapor en el cual se puede hacer que no se genere el fenómeno del golpe de ariete por condensación, pues lo que les interesaba era disponer de herramientas que les permita calcular las presiones y fuerzas experimentadas por los distintos tramos de la tubería. Implementaron un sistema a vapor insuficientemente drenado con una tubería horizontal conectada a un depósito de vapor y una válvula de venteo y en la que se supone se ha acumulado condensado debido a un drenaje insuficiente durante el calentamiento de la línea llamado modelo térmico de la sección de tubería con condensado..

(20) 20 Tomaron como referentes teóricos a Izenson M.G en sus principios fundamentales del diagnóstico de condensación inducida al golpe de ariete. Concluyeron que La forma de evitar el riesgo de este tipo de golpe de ariete es mediante un drenaje adecuado de la línea de vapor. La línea de vapor se diseñan con pendiente de bajada (típicamente del 2% para evitar la acumulación de bolsas de condensado) y los drenajes deben dimensionarse para evacuar el condensado formado durante el calentamiento de la línea.. 4. OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL.

(21) 21 •. Diseñar y construir un prototipo en el que se pueda demostrar el efecto que se genera al cerrar una válvula instantáneamente, mejor conocido como el golpe de ariete en tuberías. Objetivos Específicos •. Diseñar un prototipo de golpe de ariete en el laboratorio de hidráulica para que los estudiantes de ingeniería civil para que puedan visualizar el golpe de ariete, afianzar los conocimientos aprendidos en clase y desarrollar criterios en el ámbito profesional.. •. Realizar las pruebas hidráulicas.. •. Analizar los resultados dados en las pruebas. 5. JUSTIFICACIÓN.

(22) 22 Actualmente la Universidad Cooperativa de Colombia cuenta con un laboratorios de Hidráulica y es necesario ampliar con más módulos que generan los diferentes fenómenos que se presentan en el manejo de los fluidos, siendo de gran importancia que el estudiante de ingeniería civil vea y experimente todos los fenómenos hidráulicos que pueden llegar a presentarse en su ejercicio profesional, para que pueda desarrollar un criterio adecuado en la toma de decisiones, en este caso el fenómeno del golpe de ariete ocasionado en tuberías que es uno de los principales causantes de daños a las tuberías de conducción de aguas.. Cuando un estudiante de ingeniería puede observar detalladamente un fenómeno por sí mismo, puede razonar y buscar las causas y posibles soluciones de este, aquí radica la gran importancia de este proyecto, pues se busca dejar a las futuras generaciones herramientas que mejoren la compresión y solución de problemas causados por este fenómeno hidráulico.. Con esta nueva adecuación al laboratorio de hidráulica, se tendría acceso al primer prototipo en la universidad que pueda mostrar las características de este fenómeno de manera detallada, hacer ensayos y encontrar soluciones verdaderas a la hora de tratar con este problema en el ejercicio profesional.. 6. Marco referencial. 6.2. Marco teórico.

(23) 23 El golpe de ariete es un fenómeno transitorio y por tanto de régimen variable, en que la tubería ya no es rígida y el líquido es compresible.. Este fenómeno se produce en los conductos al cerrar o abrir una válvula y al poner en marcha o parar una maquina hidráulica, o también al disminuir bruscamente el caudal. Un caso importante ocurre en las centrales hidroeléctricas, donde se ha de reducir bruscamente el caudal suministrado a las turbinas hidráulicas acopladas a alternadores, cuando se aula la carga del alternador: en este caso la instalación debe proyectarse de manera que no produzca un golpe de ariete excesivo. Ilustración 1 Diagrama de Cierre instantaneo de Válvula. Fuente:. onda de presión en el cierre instantáneo en el cierre de una válvula: C es la velocidad de velocidad de propagación de la onda y r la velocidad del fluido. La tubería se dilata (o se contrae) al avanzar la onda de presión ( o de depresión)..

(24) 24 La figura anterior representa una tubería de longitud L, espesor E y diámetro interior D por la que circula agua proveniente de un embalse y que termina en su extremo derecho en una válvula. Si se cierra esta rápidamente, en virtud del principio de conservación de la energía, al disminuir la energía cinética, esta se va transformando en un trabajo de compresión del fluido que llena la tubería y en el trabajo necesario para dilatar esta última: se ha producido una sobrepresión, o un golpe de ariete positivo.. Por el contrario, al abrir rápidamente una válvula se puede producir una depresión, o golpe de ariete negativo. El estudio de este fenómeno nos hará ver de qué factores depende para poderlo aminorar, para calcular las sobrepresiones que se prevén en las instalación a fin de seleccionar el espesor de la tubería para resistir a esta sobrepresión, etc.. Explicación del fenómeno. Aunque es físicamente imposible cerrar una válvula instantáneamente, el estudio inicial del caso de cierre instantáneo ayuda al estudio de los casos reales. Al cerrarse por completo instantáneamente la válvula, si dividimos imaginariamente todo el fluido que llena la tubería en rodajas , como la 1,2,3 y 4 indicadas en la figura , se quedara primero en reposo la rodaja 1 y a continuación la 2,3,4 etc., necesitando un cierto tiempo. Es decir, en la válvula se ha originado una onda de presión que se propaga con velocidad C, la cual en el instante considerado tiene dirección contraria a la velocidad R del fluido: se ha creado una onda elástica, o sea una onda de presión que se propaga por la tubería, se refleja en el embalse, vuelve a la válvula, de nuevo al embalse, y asi sucesivamente, originando sobrepresiones y depresiones en la tubería, la cual se dilata o contrae al paso de la onda. Siendo C la velocidad de la onda y L la longitud de la tubería, el tiempo que tarde.

(25) 25 la onda en recorrer una vez la distancia entre la válvula y el embalse es To: L/C . Al cabo de un tiempo T: 4to: 4L/c el ciclo se repite.. Consideramos en la figura la serie de los acontecimientos en la tubería durante un periodo T:4L/C. 1. No hay perturbación. Régimen permanente. El líquido en la tubería se desplaza con velocidad V del embalse a la válvula. Diámetro de la tubería normal. 2. Tiempo0. La válvula se cierra instantáneamente. La velocidad del líquido se anula a partir de la válvula, no instantáneamente, en toda la tubería. 3. Tiempo to/2= ½*L/c la onda de presión se ha propagado hacia el embalse con celeridad C y el frente de onda ha llegado a la mitad de la tubería. Mitad derecha de la tubería dilatada por la sobrepresión. Mitad izquierda, diámetro normal. En esta mitad izquierda del agua sigue circulando con velocidad V hacia la válvula. En la mitad derecha, V=0. 4. Tiempo to= L/c. la onda de presión ha llegado al embalse. En toda la tubería el líquido está en reposo, V=0, pero no en equilibrio.. Toda la tubería esta dilatada. Como un resorte que se expansiona, el agua en la tubería comienza a moverse con velocidad V, pero dirigida en sentido contrario al de la fig. 15-2,1. El líquido empieza a ponerse en movimiento comenzando, por decirlo así, por las rodajas contiguas al estanque..

(26) 26. Ilustración 2 Diagrama de presiones del cierre de una válvula. Fuente: mecánica de fluidos de Claudio Mataix cierre instantaneo de una valvula al final de una tubería que sale de un deposito: 1° no hay perturbación; 2° tiempo 0 en que la valvula queda totalmente cerrada; 3° tiempo. 5° tiempo. ; 6° tiempo. ; 7° tiempo. ; 8° tiempo. ; 9° tiempo. ; 4° Tiempo. ; 10° tiempo. donde T es igual al periodo. Teóricamente este movimiento oscilatorio continuara indefinidamente, prácticamente la deformación de la tubería y la viscosidad del líquido disipa energía y las oscilaciones se amortiguan..

(27) 27 formulas de la presión máxima o sobrepresión: El estudio del golpe de ariete fue hecho en primer lugar por Joukowki, mientras que la solución completa del problema fue dada por Allievi, El cálculo de la sobrepresión depende del tiempo de cierre Tc de la válvula. El cierre puede ser:. •. Instantáneo: Tc=0. Caso teórico, físicamente imposible; pero muy interesante porque explica la esencia del fenómeno. •. Rápido:. la presiona máxima es la misma que en el Cierre. instantáneo; aunque la curva de presiones en la tubería en función del tiempo sea distinta. En el cierre rápido una onda de presión no tiene tiempo de ir al estanque, reflejarse y volver a la válvula, antes de que termine medo ciclo. •. Lento:. la presión máxima es menor máxima es menor que en los dos. casos precedentes, porque la depresión de la onda elástica llega a la válvula antes de que se complete el medio ciclo e impide el aumento ulterior de la presión. Este último caso es el más frecuente en la práctica.. Chimeneas de equilibrio. En el enlace entre la galería de presión y el conducto reforzado se requiere la disposición de un recipiente cilíndrico, genéricamente conocido como almenara o chimenea de equilibrio, con el objeto de reducir las sobrepresiones por el golpe de ariete en el conducto forzado y eliminar su transmisión a la galería.

(28) 28 El fenómeno del golpe de ariete consiste en la propagación de una onda a lo largo del conducto forzado, por el efecto del cierre parcial o total de la turbina para adecuar su caudal a la carga instantánea que demande el generador. La amortiguación de esta onda supone que el tiempo de cierre del distribuidor de la turbina (T) sea superior al tiempo de ida y regreso de la onda a lo largo del conducto (2 l/a), en que la aceleración (a) equivale a 900 m/seg. En este caso el golpe de ariete produce una sob|2represión lineal con respecto al nivel estático, cuya ordenada máxima (p) se expresa en función de la longitud del conducto y su velocidad (v) así:. De no existir una chimenea de equilibrio la onda se propagaría hasta el embalse, o sea que (l) expresaría la longitud total del circuito hidráulico, según ocurre en los saltos de pie de presa. En el caso contrario la onda se refleja sobre la superficie libre de la chimenea sin recorrer la galería de presión (ver ilustración 3). Ilustración 3 parámetros del golpe de ariete. Fuente: Centrales Hidroeléctricas El dimensionamiento inicial de la chimenea tiende a determinar su sección (F) en función de la oscilación máxima (Z) sobre el nivel estático, bajo las hipótesis de que la perdida de carga en la galería fuere despreciable y que el caudal sea anulado por un cierre total e instantáneo..

(29) 29 En tales condiciones se obtiene la siguiente expresión en función de los parámetros de longitud (L), sección (S) y velocidad (V) de la galería:. Las condiciones finales del diseño, que se expresan por complejo procedimientos matemáticos usualmente procesables por medio de ábacos, dan lugar a sensibles reducciones de lo parámetros (F) y (Z) dentro del principio de que la amortiguación de las oscilaciones exige que la sección cumpla con la condición de Thoma, expresada en función de las características de la galería, sus pérdidas hidráulicas (h) y la altura máxima del salto (H), así:. Las disposiciones construidas de las chimeneas tienden a optimizar su volumen, particularmente en el caso de los aprovechamientos con gran lámina de embalse en que las oscilaciones extremas se producen por encima del nivel estático máximo y por debajo del nivel estático mínimo. Consecuentemente la pendiente constructiva de la galería está condicionada por la línea piezometrica con respecto al nivel mínimo, dentro de un perfil que admite una pendiente variable para el drenaje durante la construcción. Como prototipos principales de las chimeneas se aplican la de orificio restringido y la de cámaras de expansión.. La solución de orifico restringido, que se adapta particularmente a los saltos de caída media, consiste en un estrangulamiento en la base de la chimenea que permite reducir la amplitud de las oscilaciones hasta en 30% con una sección menor de la requerida para una chimenea sencilla (ver ilustración 4).

(30) 30 Ilustración 4 Chimenea de orificio restringido. Fuente: Centrales Hidroeléctricas Para los grandes saltos se prefiere la chimenea de cámara superior con vertimiento o sin él, en que el pozo puede disponerse, alternativamente, posición vertical o inclinada según las condiciones topográficas y constructivas (ver ilustración 5). Ilustración 5 Chimenea con cámaras de expansión. Fuente: Centrales Hidroeléctricas En los aprovechamientos con largo túnel de fuga en que la turbina funcione en contrapresión se requiere la disposición de una chimenea en el arranque del túnel, cuyo calculo aplica los mismos.

(31) 31 principios y procedimientos descritos para las chimeneas en el extremidad de los conductos, puesto que solo cambia el signo de la oscilación durante el paro brusco y la apertura de las turbinas (ver ilustración 6). Ilustración 6 Chimenea inferior. Fuente: Centrales Hidroelectricas.

(32) 32. En el libro instalaciones hidraulicas y sanitarias del ingeniero rafael perez carmona muestra un esquema donde se puede ver claramente el montaje de una almenara o chimenea que se utiliza frecuentemente para la disipacion del fenomeno de golpe de ariete en las tuberias al cerrar una valvula de manera instantanea (vease la figura 4). Ilustración 7Almenara en sistemas de tuberías. El fenómeno del golpe de ariete puede generar presiones extremas en las redes de.

(33) 33 distribución, lo cual puede llevar a fallas en la red y artefactos hidráulicos, e inclusive rupturas en las tuberías, con el consiguiente riesgo de corte del servicio, pérdidas de agua, intrusión de contaminantes al sistema, etc. Un golpe de ariete severo puede generar la separación de la columna de agua, con consecuencias desastrosas para la integridad de las tuberías. Debido a esto la simulación del flujo nopermanente y del golpe de ariete se ha convertido en un requisito esencial para asegurar el correcto diseño y operación de los sistemas de distribución de agua. El estudio de los fenómenos de flujo nopermanente (golpe de ariete, conocido en inglés como “waterhammer”) ha sido tema de interés de connotados físicos y matemáticos desde hace mucho tiempo. El golpe de ariete aparece en las redes de tuberías cuando el estado de flujo permanente es perturbado mediante la modificación de la velocidad del flujo. En general, el cambio en la velocidad del flujo puede ser causado por la apertura o cierre de válvulas, falla de mecanismos hidráulicos, partida / parada de bombas, etc. El nombre „golpe de ariete‟ proviene del sonido que generalmente acompaña al fenómeno, similar al ruido del martillo golpeando una tubería. Sin embargo, la magnitud del ruido no es equivalente a la magnitud de la onda de choque, ya que el sonido puede ser amortiguado mientras la onda de presión daña las instalaciones. El efecto más severo del golpe de ariete se produce generalmente cuando las bombas detienen su funcionamiento, dando lugar a presiones excesivas que pueden causar danos serios a tuberías y mecanismos hidráulicos, tales como rupturas, colapsos por vacío, etc., sin considerar otros efectos que también podrían generar costos humanos, materiales y financieros, incluyendo problemas sanitarios.2 Tenemos todos los golpes de ariete con experiencia en el país - la válvula de la ducha se cierra bruscamente, o la válvula del sistema de rociadores se cierra al final del ciclo, o los extremos del ciclo de llenado de lavadora, todas las tuberías en el sonajero casa. Siempre que tenga una alta velocidad de flujo, sobre todo en una carrera larga pipa, y hay un cambio repentino en la velocidad, puede ocurrir el golpe.

(34) 34 de ariete. La onda de presión resultante se transmite en todo el sistema, sometiendo cada componente en el sistema a las presiones que se acercan 10 veces la presión normal del sistema. La presión vuelve a la normalidad sólo cuando se disipa por la pérdida por fricción, expansión de la tubería o cuando algo da - una válvula o sección de la tubería.. El golpe de ariete aplicado a la ingeniería Bajo el punto de vista de la ingeniería. no se puede observar este fenómeno como perjudicial en todos los casos, ya que, por ejemplo, en el caso del ariete hidráulico, el golpe de ariete va a ser el principio básico para el funcionamiento de la bomba del mismo nombre, creando una sobrepresión que posteriormente va a ser utilizada para impulsar el fluido a un punto más alto. Es por ello que para el diseño de la bomba de ariete interesa que la válvula de impulso se cierre de la forma más rápida posible para crear una mayor sobrepresión.. Arietes hidráulicos en serie y paralelo. Existen algunas alternativas para el mejoramiento de la eficiencia de los sistemas tradicionales de impulsión de agua basados en el ariete hidráulico. Así, en aquellas zonas donde el agua sea un recurso escaso y la demanda no sea muy elevada, se puede utilizar una disposición en serie con el objetivo de aprovechar el agua derramada por la válvula de impulso del ariete anterior. Es posible instalar al menos tres arietes en serie, aunque es de señalar que el tamaño de los arietes sucesivos para el aprovechamiento será más pequeño conforme se vaya avanzado en la serie. En el caso de que la fuente de agua sea abundante, o al menos no escasa, y la demanda de agua sea elevada, es recomendable colocar varios arietes en forma paralela alimentados por un solo tubo de alimentación. Es conveniente remarcar que los sistemas de bombeo que utilizan varios arietes, bien sea en serie o en paralelo, son más eficientes ya que presentan una serie de ventajas durante el.

(35) 35 funcionamiento en la instalación: - Si el caudal de suministro decae como consecuencia de un periodo de sequía o por encontrarnos en la estación más seca del año se puede parar alguna bomba con el objetivo de que la instalación siga en funcionamiento, aunque reduciendo el caudal de entrega. - Igualmente, durante las tareas de mantenimiento, éstas se pueden realizar sin desconectar la instalación completa, sino realizar estas labores de bomba en bomba. - Las bombas de ariete más pequeñas son más fáciles de trasportar a la hora de realizar una instalación nueva. Como norma general, es de señalar, que el coste inicial de una instalación puede ser mayor, debido fundamentalmente al mayor número de bombas empleadas, aunque éstas sean de un diámetro más pequeño.. Efectos del Golpe De Ariete. 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.. Cambio en la presión debido a un cambio instantáneo de la velocidad: Cuando se suscita un cambio instantáneo de la velocidad en un conducto cerrado, de un estado estable donde la velocidad tiene un valor inicial a otro estado estable con una velocidad final, se pasa por un estado transitorio. Durante este estado transitorio la energía cinética del sistema se convierte en energía en forma de.

(36) 36 ondas elásticas de presión. Si se considera el sistema de tubería en el cuál un fluido se encuentra moviéndose con una velocidad inicial Vo , y una presión inicial en el reservorio de Po ,si la válvula sufre un cambio instantáneo en el tiempo t la velocidad cambia a. Vo + ΔV , y la presión en la válvula varía a Po + ΔP .Además la densidad del fluido cambia a ρ o + Δρ y finalmente una onda de presión de magnitud ΔP viaja en dirección aguas arriba.. Golpe de ariete fenómeno hidráulico. El fenómeno del golpe de ariete se conoce desde hace tiempo. La circulación de fluidos en tuberías es intrínsecamente un proceso transitorio que presenta cambios en los flujos de entrada y salida, ya sea por arranque y parada de bombas y compresores, cambios de las condiciones de trabajo, así como también cambios en la composición de los fluidos que recorren la línea y la variación de la temperatura con las condiciones ambientales 1 . La desaceleración rápida produce un incremento de presión aguas arriba de la obstrucción, así la energía cinética se transforma en energía potencial que lleva a un aumento temporal de presión. Aguas abajo de la obstrucción, el transiente pueden causar una caída de la presión en las tuberías lo suficientemente grande como para invalidar la suposición de homogeneidad y continuidad del fluido al generarse burbujas de gas o vapor en el seno del fluido. Las propiedades mecánicas del material de la pared y la rigidez de los apoyos de la cañería pueden influir significativamente en la intensidad de las oscilaciones de presión. La amplitud de la primer depresión aguas abajo de la obstrucción es prácticamente tan alta como la amplitud de la sobrepresión aguas arriba de la obstrucción2,3. Estos hechos indican que un modelo útil para describir el flujo en tuberías debe ser un modelo transiente, eso es, debe resolver las ecuaciones de flujo dependientes del tiempo..

(37) 37 Sin embargo, habitualmente se usa el modelo de flujo estacionario para el diseño de tuberías4 . Los resultados de los dos enfoques tienen en común la producción de series espaciales de las variables dinámicas en puntos sucesivos de tiempo. Los valores en estas series generalmente no son los mismos para los dos tipos de modelos. Los valores transientes son el resultado de cambios en las variables dinámicas causados por los procesos de flujo transitorios del paso temporal previo. Los valores del modelo de estado estacionario no dependen de los valores anteriores, sino solo de las condiciones de contorno. La calibración y supervisión de sistemas hidráulicos requieren conocimiento detallado de la atenuación, forma y frecuencia del transitorio.. El uso de métodos analíticos avanzados permite ajustar los márgenes de seguridad de un diseño mediante información apropiada referida al transiente hidráulico esperado. Las computadoras permiten ejecutar programas de simulación, sin embargo el análisis del fenómeno transiente de presión mediante técnicas numéricas es relativamente nuevo. Independientemente del modelo numérico usado, un programa de análisis debe ser fiable, y eficaz. Así, un programa debe validarse con resultados experimentales o con algún criterio conocido y debe poder representar una gama amplia de condiciones de contorno. Finalmente, el comportamiento de sus elementos se debe poder representar mediante modelos numéricos adecuados y robustos, es decir, sin distorsionar el modelo matemático. En este trabajo se ha estudiado el transiente en un sistema simple formado por un tanque reservorio y una conducción que termina en una válvula; generando el golpe de ariete mediante el cierre la válvula. La modelización computacional se ha realizado utilizando el Método de las Características y se ha contrastado con la solución analítica obtenida mediante la Transformada de Laplace - Mellin.. Ecuaciones básicas del fenómeno de golpe de ariete..

(38) 38 Ecuaciones básicas De acuerdo con el expuesto, cuando las aceleraciones son importantes e invalidan la hipótesis cuasi-estacionaria, el valor instantáneo de la tensión tangencial en la pared, τw, requiere un ajuste más fino que contemple los efectos de la variación del campo de velocidades en el tiempo. Y para ello hay que recurrir a modelos 2D o cuasi 2D. Partiendo de las ecuaciones de NavierStokes en cilíndricas (x, r, θ), y realizando una serie de hipótesis que simplifiquen el modelo (en concreto suponer que el flujo es isotermo, axisimétrico, con una presión uniforme en la sección de la tubería y que el número de Mach del flujo es muy inferior a la unidad) se obtiene (Abreu, 2004) el sistema de ecuaciones correspondiente al flujo turbulento medio (ecuaciones de Reynolds):. donde u y v representan las componentes axial y radial de la velocidad, H la altura piezométrica, c la velocidad isotrópica de propagación del sonido en el fluido, ρ su densidad, g la aceleración de la gravedad y τ esfuerzo tangencial que en régimen turbulento se expresa según. siendo υ la viscosidad cinemática y ρ u′ v′ los esfuerzos tangenciales de origen turbulento, promediados en el tiempo (tensiones de Reynolds), a añadir a los esfuerzos viscosos. La condición de no-deslizamiento (adherencia) exige que en la pared de la tubería las fluctuaciones de velocidad u' y v' sean nulas, lo que supone que también lo sea la tensión de Reynolds. Por todo ello, y de acuerdo con la expresión (5), la tensión tangencial en la pared, τw,.

(39) 39. que depende de la distribución instantánea de las velocidades medias puntuales. Integrando (3) y (4) sobre la sección transversal, A, de la tubería, suponiendo que en ella las propiedades del flujo son uniformes y teniendo en cuenta la condición de contorno relación de compatibilidad entre la cinemática del flujo y el movimiento radial de las paredes de la tuberíasiendo V la velocidad media en cada sección de la tubería referida a la dirección axial. Al efectuar la integración en primera aproximación de la ecuación de continuidad (de acuerdo con la teoría clásica del golpe de ariete) se admite que el comportamiento reológico de las paredes de las tuberías es elástico y lineal y, al tiempo, se desprecia la tensión axial (σx=0) así como la inercia de las paredes.. Golpe de ariete por cierre de válvulas. En el caso de cierre instantáneo de la válvula, para el instante de cierre 0 < t < l/a, se genera una onda de presión positiva como se muestra en la que se mueve aguas arriba frenando el fluido a su paso hasta lograr su reposo, comprimiéndolo y dilatando las paredes de la tubería [6].. Golpe de ariete en maniobras de apertura y cierre del distribuidor de las turbinas eléctricas. Se presenta cuando en una central hidroeléctrica, un grupo de alternadores se queda bruscamente sin carga. Si los reguladores de algunas de estas turbinas hidráulicas, por ejemplo: El distribuidor Fink o el inyector Pelton se cierran lentamente, la turbina se embalaría; pudiendo desencadenar una avería mecánica lo cual hay que evitar; pero si se cierran rápidamente, se produce el golpe de ariete. Para solucionar este problema [7]:.

(40) 40 En las turbinas Francis se utiliza el orificio compensador En la turbina Pelton se utiliza la pantalla deflectora.. En otro tipo de turbina se utiliza la chimenea de equilibrio.. Estos dispositivos ayudan, amortiguando la acción de la onda de presión, a evitar el golpe de ariete.. Teorías para el estudio de flujos de fluidos en tuberías. Una teoría es un conjunto de razonamientos, ideados para explicar un determinado orden de fenómenos. En el análisis de tuberías se presentan dos grandes teorías [5]:. • Teoría del modelo rígido.. • Teoría del modelo elástico.. Teoría del modelo rígido. Esta teoría establece que si en una tubería la variación de velocidad y aceleración, en un período de tiempo relativamente largo, es pequeña, la presión generada será constante y las deformaciones, presentadas en la tubería, serán despreciables.. Simplificando y utilizando la variable H (altura piezométrica) y Q (caudal) en lugar de utilizar la presión P y la velocidad V se obtiene.

(41) 41. Donde: A = Área de sección transversal t = Tiempo g = Aceleración de gravedad a = Velocidad de onda = f= Factor de fricción. D = Diámetro de la tubería. Para resolver este conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales en derivadas parciales de tipo hiperbólico se recurre generalmente, al método de las características (MOC).. Las consideraciones más importantes en esta teoría son [5]: 9 El flujo en el conducto es incompresible.. •. Las paredes del conducto se consideran rígidas o indeformables.. •. La tubería permanece llena de agua todo el tiempo; la presión mínima en cualquier sección, siempre es mayor que la presión de vaporización del agua.. •. La pérdida de carga por fricción, y la carga de velocidad son despreciables con relación a los cambios de presión.. •. La distribución de velocidad y presión, en cualquier sección del conducto es uniforme..

(42) 42 •. El nivel del reservorio se mantiene constante; durante el tiempo de movimiento de la compuerta.. Teoría del modelo elástico Esta teoría se acerca más al comportamiento real del fenómeno. A diferencia del anterior, precisa condiciones que la teoría de la tubería rígida no describe . Las ecuaciones generales del modelo elástico son:. Donde: V = Velocidad t = Tiempo g = Aceleración de gravedad a = Velocidad de onda f = Factor de fricción. D = Diámetro de la tubería. P = Densidad del fluido. P = Presión. Φ = Pendiente de la tubería Las condiciones más importantes de esta teoría son :.

(43) 43 •. Las paredes de la tubería y el fluido se comportan elásticamente, bajo la acción de un campo de presión, y tienen pequeñas deformaciones.. •. La tubería permanece llena de fluido, todo el tiempo, y la presión mínima en cualquier sección es superior a la presión de vaporización del líquido.. •. Existe un efecto de fricción; entre el fluido y las paredes de la tubería.. •. La carga de velocidad es despreciable, cuando se compara con los cambios de presión.. •. Las distribuciones de velocidad y presión en cualquier sección del conducto son uniformes.. •. El nivel del reservorio se mantiene constante; durante el tiempo de movimiento de la compuerta.. Determinación de la posibilidad de golpe de ariete en la conducción. Siendo Tc = tiempo de cierre de la válvula(s), cuando prevea un: Tc ≤ Tp equivaldrá a un cierre instantáneo, ya que el tiempo de recorrido de ida y vuelta de la onda de presión es superior al de cierre. Se producirá Golpe de Ariete. Tc > Tp no se producirá Golpe de Ariete dado que la onda de presión regresará a la válvula sin que esta se encuentre totalmente cerrada.. Descripción del fenómeno en abastecimientos por gravedad. Si el agua se mueve por una tubería con una velocidad determinada y mediante una válvula se le corta el paso totalmente, el agua más próxima a la válvula se detendrá bruscamente y será empujada por la que viene detrás. Como el agua es algo compresible, empezará a comprimirse en las proximidades de la válvula, y el resto del líquido comprimirá al que le precede hasta que se anule su velocidad. Esta compresión se va trasladando hacia el origen conforme el agua va.

(44) 44 comprimiendo al límite la que le precede, de manera que al cabo de un cierto tiempo todo el agua de la tubería está en estas condiciones, concluyendo la primera etapa del golpe de ariete. En definitiva, se forma una onda de máxima compresión que se inicia en las proximidades de la válvula y se traslada al origen. La energía cinética que lleva el agua se transforma en energía de compresión.. Cuando el agua se detiene, ha agotado su energía cinética y se inicia la descompresión en el origen de la conducción trasladándose hacia la válvula, y por la ley pendular esta descompresión no se detiene en el valor de equilibrio, sino que lo sobrepasa para repetir el ciclo. Esta descompresión supone una depresión, que retrocede hasta la válvula para volver a transformarse en compresión, repitiendo el ciclo y originando en el conducto unas variaciones ondulatorias de presión que constituyen el golpe de ariete.. En definitiva, se producen transformaciones sucesivas de energía cinética en energía de compresión y viceversa, comportándose el agua como un resorte.. Causas por las que se produce.. En general el GOLPE de ARIETE es ocasionado por causas imprevistas como son: cierres bruscos de válvulas ante las turbinas, causados por averías en los mecanismos de amortiguamiento; el no funcionas las válvulas en caso de una descarga brusca del grupo; el golpe de una roca contra la tubería, originando una onda que se transmite a lo largo del conducto y puede producir una rotura en algún sitio alejado del punto de impacto; fallas en el suministro de energía que requiere una bomba para su adecuado funcionamiento, que obligan al cierre súbito de la válvula de retención, para evitar el paso del agua hacia la bomba. En fin, cualquier variación de caudal en un sistema.

(45) 45 hidráulico que obliga al cierre parcial o total de una válvula o de cualquier dispositivo de regulación, provoca perturbaciones de flujo, desencadenando el fenómeno. La variación en el movimiento del líquido se manifiesta básicamente con modificaciones en las condiciones de presión y velocidad del flujo, repercutiendo en los diferentes elementos que están en contacto con el fluido; generando esfuerzos superiores a los normales (en el flujo permanente). Inicialmente el fluido posee una energía cinética Ec = ½ m v² . Al disminuir la velocidad se reduce la ecuación, transformándose en energías vibratorias, ondulatorias y en calor. Las dilataciones y contracciones cíclicas de la conducción originan esfuerzos de fatiga en el material del cual está fabricada y provocan los destrozos ya mencionados.. Origen de la onda elástica o de presión. En la figura 2, la deformación se traslada de B hacia A, con una velocidad constante c. Esta es la onda elástica o de presión, del tipo longitudinal cuya velocidad se conoce como "celeridad"·. Esta onda es positiva cuando hay compresión del agua; parte de B y se dirige hacia la base del depósito. Se ha iniciado el primer ciclo y específicamente el primer tiempo t, de la fase directa o Golpe Directo.. Ilustración 8 Fase directa. Primer Tiempo t1=l/c.

(46) 46 La onda c llega a la base del depósito . La velocidad se anula. La tubería se ensancha, el agua queda comprimida en su interior, con una presión total H = h + h´. Debido a la elasticidad del agua y del material de la tubería el conjunto "en tensión" está presto a recuperar su estado normal.. El golpe de ariete aplicado a la ingeniería.. Bajo el punto de vista de la ingeniería el GOLPE de ARIETE puede ser estudiado como un fenómeno perjudicial o benéfico dentro de las condiciones hidráulicas, dependiendo de las circunstancias, de la magnitud de sus efectos y del tipo del medio donde se presente. El hombre afronta dicho fenómeno de acuerdo a las necesidades y a sus manifestaciones de las siguiente manera:. Tanque de oscilación diferencial.. es la separación de aceleración o desaceleración de conducción, resultando una acción hidráulica más rápida, reflejando una disminución más considerable y económico en el diámetro del tanque.. El ariete hidráulico. es una bomba impelente, en la que la energía para su accionamiento se toma del impulso o golpe generado cuando se detiene bruscamente una masa de agua móvil. Es utilizado en suministro de agua.. Prevención o mitigación del golpe de ariete.. Se tiene como primera medida de precaución, instalar válvulas apropiadas en las líneas de conducción y controlar su tiempo de cierre. En algunos casos se construyen válvulas interruptoras.

(47) 47 especiales, provistas de un resorte que opera contra la presión del agua, de manera que inmediatamente la velocidad empieza a disminuir como resultado de la detención de la bomba, la válvula comienza a cerrarse, lográndose el cierre completo antes del regreso de la columna líquida.. ·. Cerrar lentamente la válvula de impulsión.. ·. Escoger el diámetro de la tubería de impulsión grande para que la velocidad sea pequeña.. ·. Instalar la bomba con un volante, que en el caso de corte de la corriente reduzca lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad del agua en la tubería.. · Usar una cámara o colchón de aire. Esto ha dado resultados satisfactorios, pero su costo inicial y la dificultad de mantener el nivel deseado del agua, le hacen perder importancia.. ·. Utilizar almedanas. Su uso se restringe a instalaciones de pequeña cabeza y no son generalmente económicas.. ·. Aumentar el momento de inercia de los elementos que rotan en la bomba y el motor es útil, debido a que aumenta el intervalo de tiempo disponible para el ajuste de la válvula.. ·. Utilizar un "by-pass" a través de la válvula de seguridad.. Como evitar golpe de ariete en tuberías..

(48) 48 1- Diseña un sistema que minimice la posibilidad del golpe de ariete. Manteniendo las velocidades de flujo en aproximadamente 5 pies (1,5 m) por segundo (basado en agua) se debe eliminar el efecto martillo. Este nivel de flujo requiere grandes tuberías 2- Encuentra cualquier tubería insuficiente y reemplázala con una más grande 3- Fija los tubos sueltos en una pared con abrazaderas para tratar de solucionar el problema. 4- Envuelve con un poco de material de aislamiento (una toalla, una camiseta vieja) en las tuberías que suceden los golpes. A veces eso es difícil ya que los tubos pueden estar ubicados detrás de una pared o en el techo donde no se puede llegar a ellos. 5- Ten en cuenta que si tu sistema de plomería incluye cámaras de aire éstas pudieron haberse llenado de agua. Para corregir este problema válvula cierra la válvula principal de agua, abre todos los grifos del interior y exterior del hogar y deja el agua drenando hacia afuera. Cuando se abre la válvula principal el agua pasará por alto las cámaras de aire lo que las llena de aire. 6- Piensa cómo instalar una cámara de aire (una o más) si tu sistema de plomería no incluye una 7- Instala un eliminador de golpe de ariete si al haber asegurado las tuberías no se soluciona el problema. Este dispositivo funciona como una cámara de aire o amortiguador y se añade en línea con el sistema de plomería 8- Aumenta el tiempo de cambio en lugares donde hay un cambio repentino en la velocidad del fluido. Por ejemplo, las válvulas de bola de ¼ de vuelta son una fuente común de golpe de ariete. Un globo de acción más lenta o una válvula de compuerta evitarán los golpes de ariete..

(49) 49 9- Aumenta el tiempo para el cambio de válvulas con válvulas motorizadas o de accionamiento neumático. En el caso de las válvulas neumáticas, la adición de una restricción a la salida de escape a menudo puede producir el efecto deseado 10- Usa un tubo vertical para corriente arriba en cada válvula. Tu puedes construir una tubería vertical de una longitud tope de tubo o tubería que viene verticalmente fuera de la línea principal, de forma rápida y económica. 11- Añade un acumulador o resurgir si el martillo comienza de repente o detiene una bomba. Un acumulador consiste en un simple depósito como si fuera un tanque cerca de la descarga de la bomba. Los resurges incorporan una vejiga interna de carga de gas y un orificio para los choques más severos.. 6.4. Marco conceptual Golpe de ariete. El fenómeno del golpe de ariete, también denominado transitorio, consiste en la alternancia de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir, básicamente es una variación de presión, y se puede producir tanto en impulsiones como en abastecimientos por gravedad. El valor de la sobrepresión debe tenerse en cuenta a la hora de dimensionar las tuberías, mientras que, en general, el peligro de rotura debido a la depresión no es importante, más aún si los diámetros son pequeños..

(50) 50. Ilustración 9 Los siguientes son algunos casos en que se puede presentar golpe de ariete: Cambios en la abertura de la válvula, accidental o planeado. Arranque o interrupción de bombas. Cambios en la demanda de potencia de turbinas. Cambios de elevación del embalse. Ondas en el embalse. Vibración de impulsores en bombas, ventiladores o turbinas. Variaciones en la apertura o cierre del gobernador o regulador de una turbina causadas por cambios en la carga de los sistemas eléctricos. Vibración de accesorios deformables tales como válvulas Almenaras.. Es un conducto o tanque de oscilación que permite disipar las ondas elásticas generadas por el flujo cuando hay un cierre rápido, puesta en marcha de turbinas o presencia de aire. Tienen como función, además de disminuir el golpe de ariete, almacenar o distribuir caudal hasta que llegue la desaceleración y acortar el período variable de las ondas.. Válvula.. Se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.. línea de energía..

(51) 51 Es la línea de alturas total es la representación de la energía de cada sección. Para cada sección representativa puede representarse respecto de un plano de referencia, la energía total (como valor lineal en metros de fluido) y la línea obtenida de esta forma es de gran ayuda en muchos problemas de flujos, las líneas de energías tiene una pendiente decreciente en el sentido de flujo, excepto en las secciones donde se añade energía mediante los dispositivos mecánicos Línea de conducción.. La línea de conducción tiene la función de conducir o llevar el agua captada de la fuente hasta el lugar de su almacenamiento, tratamiento o distribución. La conducción puede realizarse de dos maneras, por gravedad o por bombeo, esto depende de las condiciones topográficas del terreno por donde pasará la línea. La conducción por gravedad puede realizarse a través de canales (abiertos o cerrados) o tuberías, dependiendo de la capacidad de la fuente para brindar el caudal requerido, de los recursos disponibles, de la mano de obra y otros factores más. La conducción por bombeo se utiliza cuando la fuente de abastecimiento se encuentra a un nivel inferior al del tanque de almacenamiento desde el cual el agua será distribuida a la población.. Tiempo de cierre de una válvula.. El cálculo de sobrepresiones depende del tiempo de cierre de una válvula y tanto la teoría como la práctica demuestran que las máximas sobrepresiones posibles se logran para los casos en los que la maniobra de cierre sea menor que el tiempo que tarda la onda en su viaje de ida y vuelta hasta la válvula que corta el paso al fluido. Este tiempo lo denominaremos tiempo crítico tc y según algunos autores equivale a: tc= 2t0= 2 c L Cierre rápido..

(52) 52 el tiempo de cierre de la válvula es menor que el tiempo crítico (t < tc). En el cierre rápido de una válvula la onda de presión no tiene tiempo de trasladarse hasta el origen, reflejarse y volver a dicha válvula antes de termine medio ciclo. Cierre lento. el tiempo de cierre de la válvula es mayor que el tiempo crítico (t>tc) por lo que la presión máxima será menor que en el caso anterior debido a que la depresión de la onda elástica llega a la válvula antes de que se complete el medio ciclo e impide el aumento de presión. Tubería de impulso. Teniendo en cuenta que la tubería de impulso es una parte clave de la instalación, siendo la responsable de transportar el agua desde el depósito de suministro al ariete hidráulico, proporcionándole (como consecuencia de la diferencia de cotas) una suficiente velocidad capaz de hacer cerrar la válvula de impulso y de crear la sobrepresión (golpe de ariete). Para ello, la tubería de impulso debe ser fabricada de un material rígido, fuerte y resistente.. 7. Metodología Tipo de investigación propositivo. 7.1 Diseño del Equipo Para poder hacer el diseño del equipo se tomaron varios aspectos en cuenta como el espacio con el que podíamos disponer en el laboratorio de hidráulica de la universidad, se determinaron los diferentes tipos de materiales y accesorios utilizarse, se hizo un esquema inicial del prototipo, se.