Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


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Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleración en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula en la línea.  Al cerrarse rápidamente una válvula en la tubería durante el escurrimiento, el flujo a través de la válvula se reduce, lo cual incrementa la carga del lado aguas arriba de la válvula, iniciándose un pulso de alta presión que se propaga en la dirección contraria a la del escurrimiento.  Esta onda provoca sobrepresiones y depresiones las cuales deforman las tuberías y eventualmente la destruyen. Desde el punto de vista energético puede considerarse la transformación de la energía cinética del fluido en energía potencial elástica (cambios de presión) y viceversa. Si la tubería carece de roce y es indeformable y por lo tanto no hay pérdidas de energía, el fenómeno se reproduce indefinidamente.  Si hay roce y la tubería es elástica parte de la energía se va perdiendo y las sobrepresiones son cada vez menores hasta que el fenómeno se extingue.

En el caso de cierre de una válvula, la fuerza viva con que el agua estaba animada se convertiría en trabajo, determinando en las paredes de la tubería presiones superiores a la carga inicial. Si se pudiera cerrar la válvula en un tiempo t = 0, se produce el cierre instantáneo y considerando que el agua fuese incompresible y la tubería no fuese elástica, la sobrepresión tendría valor infinito. En la práctica, el cierre lleva algún tiempo, por pequeño que sea y la energía que va a absorberse se transforma en esfuerzos de compresión del agua y deformación de las paredes de la tubería.

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La sobrepresión no es infinita, pero tiene un valor mas o menos alto según el tiempo de cierre y el material de que esté hecha la tubería. La temperatura también influencia, aunque no mucha. Esta sobrepresión se origina en la válvula que se cierra, y viaja por la tubería a una velocidad que se llama celeridad "Cs". Estas ondas de sobrepresión forman parte de las llamadas ondas transientes, y suelen ir seguidas de ondas de depresión.

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En la Ingeniería es muy importante determinar la magnitud de esta sobrepresión con el objeto de poder diseñar las tuberías con suficiente resistencia para soportarla. En las válvulas operadas a discreción la sobrepresión no es muy grande porque se procura que Tv sea grande ( cierre lento). Pero en las salidas de operación de equipos ( parada de bombas, daño de válvulas, etc.) la sobrepresión puede ser muy grande, por lo que se procura disminuirla con válvulas de alivio, cámaras neumáticas, chimeneas de equilibrio, etc.

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

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Igual como sucede en un resorte largo que es estirado y luego dejado libre, la tubería debido a la elasticidad del material de que está hecha, se contrae hasta un tamaño ligeramente menor que el previo a la sobrepresión, produciéndose una salida de agua mayor que el aumento de volumen causado por la sobrepresión. Este fenómeno es acompañado por una reducción de la presión que, por inercia, debería ser ( en teoría) igual y de sentido inverso a la sobrepresión. Este fenómeno se repetirá continuamente, presentándose una serie de ondas de presión que oscilan entre valores de ( + D h ) y ( - D h ) cada vez menores, debido a la disipación de la energía, hasta que finalmente es sistema se estabiliza llegando a tenerse la presión hidrostática.

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

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Donde: C= Celeridad de la onda; m/s

D= Diámetro de los tubos; m

E= Espesor de los tubos; m

K= coeficiente que tiene en cuenta los módulos de elasticidad.

Estos valores se conocen en tablas para determinado material.

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

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Siendo L = longitud de la tubería.

C = Velocidad de propagación de la onda (celeridad)

 

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

El tiempo de cierre de la válvula es un factor importante. Si el cierre es muy rápido, la válvula quedará completamente cerrada antes de actuar la onda de depresión. Por otro lado si la válvula es cerrada lentamente, habrá un tiempo para que la onda de depresión actúe, antes de la obturación completa. De ahí la clasificación de las manio0bras de cierre.

T = tiempo de maniobra

Si T < 2L / C Maniobra rápida

Si T> 2L / C Maniobra lenta

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

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El caso mas importante de golpe de ariete en una línea de descarga de bombas accionadas por motores eléctricos, se verifica luego de una interrupción de energía eléctrica.

En este caso, debido a la inercia de las partes rotativas de los conjuntos elevadores, inmediatamente después de la falta de corriente, la velocidad de las bombas comienza a disminuir, reduciéndose rápidamente el caudal. La columna líquida continúa subiendo por la tubería de descarga, hasta el momento en que la inercia es vencida por la acción de la gravedad. Durante este periodo se verifica una descompresión en el interior de la tubería.

Enseguida, ocurre la inversión en el sentido del flujo y la columna líquida vuelve a las bombas.

No existiendo válvulas de retención, las bombas comenzarían, entonces, a funcionar como turbinas, girando en el sentido contrario.

Con excepción de los casos en que la altura de elevación es pequeña, con descarga libre, en la líneas de bombeo son instaladas válvulas de retención o válvulas check, con el objeto de evitar el retorno del líquido a través de las bombas.

La corriente líquida, al retornar a la bomba, encontrando la válvula de retención cerrada, ocasiona el choque y la compresión del fluido, lo cual da origen a una onda de sobrepresión (golpe de ariete).

Si la válvula chek funciona normalmente, cerrándose en el momento preciso, el golpe de ariete no alcanzará el valor correspondiente a dos veces la altura manométrica.

Si, por el contrario, la válvula chek no cierra rápidamente, la columna líquida retornará, pasando a través de la bomba y con el tiempo, pasará a adquirir velocidades mas altas, elevándose considerablemente el golpe de ariete, en el momento en que la válvula funcione (Pudiendo alcanzar 300% de la carga estática, dependiendo del tiempo de cierre).

El cálculo riguroso del golpe de ariete en una instalación de bombeo exige el conocimiento previo de datos relativos a los sistemas de bombeo, que influyen en el fenómeno:

  1. El momento de inercia de las partes relativas de la bomba y el motor.
  2. Características internas de la bomba (efectos sobre la disipación de energía, funcionamiento como turbina).
  3. Condiciones de la bomba en la rama de descarga y comportamiento de la onda de presión.

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El golpe de ariete es combatido, en la práctica, por varias medidas.

  1. Limitación de la velocidad en tuberías.
  2. Cierre lento de válvulas o registros. Construcción de piezas que no permitan la obstrucción muy rápida.
  3. Empleo de válvulas o dispositivos mecánicos especiales. Válvulas de alivio, cuyas descargas impiden valores excesivos de presión.
  4. Fabricación de tubos con espesor aumentado, teniendo en cuenta la sobrepresión admitida.
  5. Construcción de pozos de oscilación, capaces de absorber los golpes de ariete, permitiendo la oscilación del agua. Esta solución es adoptada siempre que las condiciones topográficas sean favorables y las alturas geométricas pequeñas. Los pozos de oscilación deben ser localizados tan próximos como sea posible de la casa de máquinas.
  6. Instalación de cámaras de aire comprimido que proporcionen el amortiguamiento de los golpes. El mantenimiento de estos dispositivos requiere ciertos cuidados, para que sea mantenido el aire comprimido en la cámaras.

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  1. J.M de Azevedo Netto y Guillermo Acosta Alvarez. MANUAL DE HIDRÁULICA. Sexta edición. México 1975.
  2. Rodolfo Saenz Forero. HIDRÁULICA BÁSICA PARA INGENIEROS SANITARIOS. Organización mundial de la salud. República Peruana. Lima, septiembre de 1984.
  3. http://www.altavista.com/cgi-bin/query?q=golpe+de+ariete&pg=q&qe&kl=es.

 

Sergio Andrés Orozco Escobar

amseoro@eia.edu.co


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