Golpe De Ariete

Golpe de Ariete

Introducción

El golpe de ariete y la cavitación, son los principales causantes de averías en las instalaciones hidráulicas.

El golpe de ariete se origina cuando un flujo es detenido bruscamente, transformando su energía cinética en energía potencial de presión. Esto puede ser por ejemplo, al cerrarse bruscamente una válvula instalada en el extremo de una tubería de cierta longitud.

Las partículas de fluido van chocando contra el obturador, deteniéndose, y van siendo empujadas por las que vienen inmediatamente detrás, que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido.

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.

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, etc,

Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como

donde:

 C es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión,

 Vo es la velocidad media del fluido, en régimen,

 g = 9.81m / s2 es la aceleración de la gravedad.

A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:

donde:

 K es el módulo elástico del fluido,

 ro es la densidad del fluido,

 E es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la misma,

 e es el espesor de las paredes de la tubería,

 D es el diámetro de la tubería.

El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema.

Descripción del fenómeno

1) Válvula abierta. Régimen permanente. Cañería de diámetro “D”, fluido de densidad “ρ” y velocidad “U”.

2) Cierre rápido del obturador (t0). La primera capa de líquido en contacto con la válvula cerrada, pasa de velocidad “U” a velocidad nula. Según el principio de conservación de la energía, la componente de energía cinética, se transforma en energía potencial, elevando la presión en Δh y comprimiéndose el líquido en Δρ. Para un instante posterior (t0 + Δt) otra capa de líquido pasa por el mismo proceso, dando como resultado un fenómeno de aquietamiento de las capas (y por lo tanto un consecuente aumento de presión) que se propaga en sentido de O a M a una velocidad c (velocidad de la onda). El material del conducto posee un módulo de elasticidad E, con lo cual este se deformará a causa del aumento de presión. Transcurrido un tiempo Δt del cierre del obturador, el fenómeno alcanzará la sección a la distancia l = c Δt. La conducción entre O y L se encontrará con una sobrepresión h y consecuentemente dilatada en un D + ΔD. Por otra parte el líquido se encontrará comprimido siendo su masa específica ρ+Δρ. En el tramo de longitud L – l, las condiciones son las de antes del tiempo de cierre del obturador (condiciones de régimen permanente), puesto que la onda de presión, aún no ha llegado a esa región.

3) En el tercer gráfico se esquematiza la situación para el instante en que la perturbación ha alcanzado al punto M. Toda la tubería se encuentra dilatada en D +ΔD, todo el líquido se encuentra detenido (U = 0) y su densidad aumentada Δρ. Este estado ocurre en el tiempo t0 + L/c. Analizando la sección M nos encontramos con que un infinitésimo dentro de la conducción reina la presión hM + Δh y un infinitésimo dentro del embalse la presión es hM. Esta situación de desequilibrio se resuelve mediante una nueva conversión de energía, pero ahora de potencial a cinética.

4) Debido a este desequilibrio de presiones, el sentido de la velocidad del fluído será

...