Clase Golpe Ariete

8/16/2019 Clase Golpe Ariete

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Abril, 2010

ELEMENTOS BÁSICOS DEL GOLPEDE ARIETE


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RESUMEN DE LA PRESENTACIÓN

En la presentación se hablará sobre los siguientes tópicos::

• Cálculo del golpe de ariete. Definiciones y conceptos.

• Historial del estudio del golpe de ariete.

• Métodos de atenuación.

• Breve explicación del fenómeno.

• Causas que lo originan.

• ¿ Por qué hay que controlarlo?

• ¿ Qué es el golpe de ariete?


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ELEMENTOS BÁSICOS DEL GOLPE DE ARIETE

¿ QUÉ ES EL GOLPE DE ARIETE?


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¿QUÉ ES EL GOLPE DE ARIETE?

Definición: El golpe de ariete, también conocido comorégimen transitorio en tuberías a presión, es un fenómeno que

se origina en conductos a presión, y que se caracteriza porvariaciones alternantes de la presión, tanto sobrepresionescomo de depresiones.

• Las sobrepresiones son importantes a la hora dedimensionar la tubería (espesor del tubo).

• Las depresiones son importantes porque si sealcanza la tensión de vapor del líquido, se

producirá cavitación, con sus consecuencias.


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HISTORIAL DEL ESTUDIO DEL GOLPE DE ARIETE

HISTORIAL DEL ESTUDIO DELGOPLE DE ARIETE


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HISTORIAL DEL ESTUDIO DEL GOLPE DE ARIETE

Un breve recuento de quienes han investigado el fenómenodel golpe de ariete, es::

• Métodos computacionales (1960).

• Bergeron (1950).

• Korteweg (1883).

• Angus (1935).

• Schnyder (1929).

• Allievi (1903).• Joukowski (1897).

• Michaud (1878).


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¿ POR QUÉ DEBECONTROLARSE?


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¿POR QUÉ HAY QUE CONTROLARLO?

Dado que:

• Potencialmente pueden llegar a destruir todo o partede un sistema de conducción a presión:

• Tener en cuenta su influencia, en caso de

que ocurra, al momento de hacer el diseñodel sistema a presión, lo que pudieraimplicar la instalación de dispositivos de

control de sus efectos.

Se debe:


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CAUSAS QUE LO ORIGINAN


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Generalidades: En general el fenómeno aparecerá cuando, porcualquier causa, en un conducto a presión se produzcan

variaciones de velocidad, y por consiguiente: de presión. Entrelas maniobras más comunes que inducen a la aparición delfenómeno, están:

• Cierre y apertura de válvulas.• Arranque de bombas.

• Detención de bombas.

• Funcionamiento inestable de bombas.• Llenado inicial de tuberías.

• Sistemas de protección contra incendios.


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Por ejemplo:

• La apertura y cierre de válvulas son operacionesfundamentales dentro de la operación segura de unsistema presurizado.

• Al cerrarse una válvula la parte final aguasdebajo de una tubería, crea una onda de presiónque se mueve hacia el tanque de almacenamiento.

• Si la operación no se hace adecuadamente, seoriginará una onda de sobrepresión que puede

ser excesiva por ende, destructiva.


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• La energía cinética se transforma en energía de presión.

• La sobrepresión puede llegar a romper la tubería.


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Por ejemplo:

• El arranque de bombas:

• Puede inducir un rápido colapso del espacio

vacío que existe aguas debajo de la bomba.


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Por ejemplo:

• El funcionamiento inestable de bombas:

• Fallos en la potencia de la bomba pueden inducir

rápidos cambios en la energía de suministro delflujo, lo que a su vez origina un aumento de

presión en el lado de succión y una disminución de

presión en el lado de la descarga que pudieraeventualmente dar origen a la cavitación.


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BREVE EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO

EXPLICACIÓN BREVE DELGOLPE DE ARIETE


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BREVE EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO

Generalidades: En las siguientes figuras se esquematizagráficamente y en forma resumida, la evolución del fenómeno.

En ellas:

• Se observa la evolución de las ondas de sobrepresión y

de depresión para diferentes instantes de tiempo t, luegode haberse cerrado la válvula de control de flujo.

• Se observa el sentido del flujo de velocidad v.• Se observa el sentido de avance de la onda de

presión de celeridad c (c>>>v).


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EXPLICACIÓN GRÁFICA DEL FENÓMENO


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Dirección del flujo

Dirección de avance

de la onda de presión


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MÉTODOS DE ATENUACIÓN DEL FENÓMENO

MECANISMOS PARA ATENUAR

LA INFLUENCIA DEL GOLPE DEARIETE


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Generalidades: Tal como ya se ha expresado, el golpe deariete, genera sobrepresiones importantes en los sistemas de

conducción a presión.

• Aumento del espesor de la tubería: Estas

sobrepresiones, cuando están dentro de límitesrazonables, suelen manejarse con un aumento delespesor de la tubería de conducción, con respecto al

que se necesitaría si el sistema funcionase comorégimen permanente.


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Pero:

• Cuando la longitud de la tubería es muy grande,las sobrepresiones alcanzan valores muy altos, que

implicarían sobredimensionar demasiado la tubería alos fines de que puedan soportar dichassobrepresiones con razonable seguridad.


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Por ello:

• Existen otros métodos más puntuales y específicos para atenuar las sobrepresiones asociadas al golpe de

ariete.


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Los métodos de común utilización para el manejo delGolpe de Ariete, se pueden dividir en:

• Válvulas de cierre programado.

• Válvulas de retención.• Volantes de inercia.

Dispositivos de acción directa.

• Válvulas anticipadoras de presión.


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Los métodos de común utilización para el manejo delGolpe de Ariete, se pueden dividir en:

• Válvulas de ventosa.

• Cámaras de aire.

• Chimeneas de equilibrio.

Dispositivos de acción indirecta.

• Válvulas de alivio rápido.

• Cámaras compensadoras y depósitos de descarga.


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DISPOSITIVOS DE ACCIÓN

DIRECTA


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MÉTODOS DE ATENUACIÓN. VOLANTE DEINERCIA

Volante de inercia:

Esquema de volante de inercia


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MÉTODOS DE ATENUACIÓN. INSTALACIÓN DEVÁLVULAS

Válvulas de retención

• En redes de distribución con ramales ascendentes, evitan elvaciado de las mismas al detenerse el flujo.

• En sistemas a presión: Protege a la bomba contrasobrepresiones y evita que la tubería de impulsión sevacíe.

• En hidrantes: Impiden que el fluido retorne a la red.

• Funcionan de manera que únicamente permiten el flujo de aguaen un sentido, por lo que también se conocen como “válvulasanti-retorno”. Permiten:


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Válvulas de retención y de alivio

Sistema provisto de válvulas de alivio y retención en la

estación de bombeo


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Válvulas de retención. Tipos


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Válvulas de retención. Tipos


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Válvulas con cierre programado

É Ó Á


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MÉTODOS DE ATENUACIÓN. VÁLVULAS ANTICIPADORAS DE PRESIÓN

Válvulas anticipadoras de presión:

• Las válvulas anticipadoras de presión se instalan poco después de la bomba, de forma tal decotrarrestar las ondas positivas y negativas.

• Están diseñadas para abrirse cuando se produce

una parada de bomba y cuando se produce ladepresión inicial, de forma tal de que cuando vuelvala onda de sobrepresión, esté totalmente abierta y

minimize su accionar.

É Ó Á


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Válvulas anticipadoras de presión:

MÉTODOS DE ATENUACIÓN VÁLVULAS


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Características de las válvulas anticipadoras de presión

• Es automática y diseñada especialmente para proteger bombas y tuberías del daño resultante de los cambios bruscosde velocidad del flujo asociados a arranques y detenciones de

bombas.

MÉTODOS DE ATENUACIÓN VÁLVULAS


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Características de las válvulas anticipadoras depresión:

• Las válvulas anticipadoras de presión se instalan poco después de la bomba, de forma tal decotrarrestar las ondas positivas y negativas. Éstasúltimas también son atenuadas con las válvulas deaire que impiden que la presión baje por debajo delas presiones mínimas de diseño.


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DISPOSITIVOS DE ACCIÓN

INDIRECTA

MÉTODOS DE ATENUACIÓN CHIMENEAS DE


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MÉTODOS DE ATENUACIÓN. CHIMENEAS DEEQUILIBRIO

Chimeneas de equilibrio:

• Consiste en una tubería de diámetro mayor al dela tubería de conducción, colocada verticalmente yabierta a la atmósfera, de forma tal de que su altura

sea siempre superior a la presión de la tubería, para la condición de régimen permanente, en el punto donde se instala.



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Chimeneas de equilibrio: Oscilación

Oscilación temporal del nivel dentro de la chimenea



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• Es una instalación muy costosa (costo proporcional a h), por lo que su instalación solo es justificable en conducciones por gravedad y de

muy poca pendiente.

É Ó Á


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MÉTODOS DE ATENUACIÓN. CÁMARAS DE AIRE

Cámaras de aire:

• Para las conducciones por bombeo resulta, por locostosa, en la mayor parte de los casosimpracticable la protección con una “chimenea de

equilibrio”.

• Por ello, “la chimenea” puede ser reemplazada

por una cámara cerrada de dimensiones reducidas,dotada de un dispositivo con aire que hace lasveces de amortiguador.

É Ó Á


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MÉTODOS DE ATENUACIÓN. CÁMARA DE AIRE

Cámara de aire:

MÉTODOS DE ATENUACIÓN. INSTALACIÓN DE


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Válvulas de ventosa o areación

• Permiten la admisión de aire para evitar depresiones que

pudieran presentarse durante operaciones de descarga orotura de la conducción.

• Purgado o expulsión continua de las bolsas y burbujas

de aire que se forman en la conducción y que están presentes en el agua.

• Permiten la evacuación del aire asociado al llenado o puestaen servicio de la conducción.



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• La monofuncional: Sólo elimina las burbujas de aire delsistema presurizado que está en funcionamiento.

• La bifuncional: Eliminan y admiten grandes cantidadesde aire sin presión en la tubería.

Dependiendo de la función que realicen, existen tres (3) tipos deventosas:

• La trifuncional: Es la síntesis de las dos anteriores.



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VÁLVULAS




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VÁLVULAS

Válvulas de ventosa o areación. Colocación



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VÁLVULAS

Válvulas de alivio rápido

• Se suelen instalar en derivación, a la salida de la bomba.

• Permiten de forma automática y casi instantánea la salidade la cantidad necesaria de agua, para que la presiónmáxima en el interior de la tubería no exceda un valor

límite especificado.



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VÁLVULAS

Válvulas de alivio rápido

T u b e r

í a d e i

m p u l s i ó n

Válvula de

alivio rápido

Bomba

Drenaje

MÉTODOS DE ATENUACIÓN. CÁMARASÓ


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COMPENSADORAS Y DEPÓSITOS DE DESCARGA

Cámaras compensadoras

• El flujo que manejan es bidimensional (pueden abastecer

a la tubería o recibir flujo de ésta).• Ingresan el agua ante la presencia de una ondanegativa o de depresión y ante una onda de sobrepresión

alivia a la tubería, permitiendo la salida de caudal de lamisma.

• Consisten en tanques de reserva ubicados en puntos estratégicos.

MÉTODOS DE ATENUACIÓN. CÁMARASÓ


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Depósitos de descarga

• El flujo que manejan es unidimensional (sólo pueden

abastecer a la tubería, pero no a la inversa).• Ingresan el agua ante la presencia de una ondanegativa, a los fines de contrarrestarla.

• Consisten en tanques de reserva ubicados en puntos estratégicos.

MÉTODOS DE ATENUACIÓN. CÁMARASCO S O S ÓS OS SC G


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Cámaras compensadoras y depósitos de descarga

CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE.DEFINICIONES Y CONCEPTOS


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DEFINICIONES Y CONCEPTOS

DEFINICIONES Y CONCEPTOS

CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE. DEFINICIONESY CONCEPTOS


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Y CONCEPTOS

Generalidades: El golpe de ariete se produce en un sistema presurizado y corresponde a lo que se conoce como régimen

transitorio o de flujo no permamente, el cual se modela através de las ecuaciones de Saint Venant.

El estas ecuaciones “c” es la celeridad de la onda,comúnmente denominada como “a” en muchas publicacionesy libros.

Venant)Saintdeecuación(1

2

1

2

era2

gD

U fU

t

U

gg

U P Z

l

Venant)Saintdeecuación(2 01 da

2

t

P

l

PU

cl

U

CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE. DEFINICIONESY CONCEPTOS TEORÍA DE ALLIEVI


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Y CONCEPTOS. TEORÍA DE ALLIEVI

Teoría de Allievi: El estudio analítico de Allievi parte de lasecuaciones de Saint Venant (lámina anterior), a las cuales

hace algunas simplificaciones que posibilitan suintegración, al tiempo que acota el problema a los casosingenieriles más comunes: grandes oscilaciones de velocidad,y por consiguiente de presión.

Las simplificaciones hechas son:



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Y CONCEPTOS

1) Considera las pérdidas de energía despreciables. Esdecir:

Suposición que puede hacerse dado que el valor de dichaspérdidas es bajo en comparación con las presiones queocurren en el fenómeno del Golpe de Ariete.

0

2

gD

U fU

El no considerarlas hace más conservador el cálculo ya que sedeja de considerar el efecto amortiguador que tienen.



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Y CONCEPTOS

2) Desprecia los términos convectivos frente a lostemporales asociados a la velocidad del flujo, al considerarlas variaciones violentas de velocidad. Es decir:

l

U U

l

PU

y

t

PU

t

U U

ySon despreciables

en comparación a



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Y CONCEPTOS

3) Con lo cual las ecuaciones de Saint Venant toman lasiguiente forma:

Venant)Saintdeecuación(11 erat

U

g

P Z

l

Venant)Saintdeecuación(2 0

1 da

2

t

P

cl

U

Manipulando estas ecuaciones y tomando en cuenta que la variación dedensidad con respecto al recorrido y el tiempo es despreciable frente a

la variación de las alturas de la columna líquida, se obtiene:

2

2

2

2

2l

hc

t

h



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Y CONCEPTOS

Celeridad de la onda: Es la velocidad de propagación de laonda de presión a través del fluido. En general se puede

calcular a través de la siguiente expresión:

e E

DK

K

a

.

.1

Donde:

K : Módulo volumétrico del fluido(Nw/m2)

ρ: Densidad del fluido (Kg/m3

) E : Módulo elástico del material(módulo de Young) (Nw/m2).

e: Espesor de la tubería (m)

Donde se ha supuesto que el fluido es un líquido, el conductoes circular, y que además es de pared delgada.



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Y CONCEPTOS

Celeridad de la onda: Otra forma de calcular la velocidad de propagación de la onda de presión, propuesta por Allievi, si elfluido es agua, es:

Donde:

a: Celeridad de la onda (m/s) D: Diámetro interior de la tubería (mm)G: Factor adimensional que depende

de la tubería.e: Espesor de la tubería (mm)

e

DG

a

3,48

9900



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Y CONCEPTOS

Sobrepresión máxima: El efecto inmediato del Golpe deAriete, son las fuertes fluctuaciones de presión asociadas, al

repentino cambio de la velocidad del flujo, las cuales pueden producir el colapso de la tubería de conducción, razón por lacual deben ser calculadas de forma apropiada a los fines deincorporarlas en el diseño de la conducción.

Estas sobrepresiones en la mayor parte de los casos estánasociadas al manejo (cierre y apertura de válvulas) y de

bombas (arranques, detenciones), etc. así como al llenadoinicial de la tubería.

CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE. CONCEPTOS YDEFINICIONES


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DEFINICIONES

Algunos de los métodos para calcular esas sobrepresiones son:

• Método de los diagramas triangulares de sobrepresionesmáximas: Su objetivo principal es el de posibilitar un buen plan de

cierre de las válvulas presentes en un acueducto regulado aguasabajo por éstas.

• Criterios de Mendiluche y Allievi: Utilizados para analizar

el detenimiento de bombas.

• Método de Pujol: Traza los diagramas envolventes de las

sobrepresiones, permitiendo diseñar la maniobra de cierre de lasválvulas a los fines de ajustar el espesor de la tubería al valor delas sobrepresiones máximas. Aplica al caso de caudales regulados

aguas abajo con válvulas tradicionales.



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TIEMPO DE CIERRE DEVÁLVULAS Y TIEMPO DE

PARADA DE BOMBAS. CIERRELENTO Y RÁPIDO



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Contexto de la definición de tiempo (T): Se definirá eltiempo (T) como el intervalo entre el inicio y el término de

una maniobra, sea cierre o apertura, sea total o parcial, ya quedurante ese tiempo es que se producen las modificaciones delrégimen de movimiento del fluido.

El concepto se aplicará tanto a conducciones por gravedadcomo a sistemas de bombeo (impulsiones), conociéndose en el

primer caso como “ tiempo de cierre de la válvula”, mientrasque en el segundo caso se hablará de “ tiempo de parada”.



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El tiempo de cierre puede medirse con un cronómetro y esfácilmente modificable.

Por el contrario, el de “ tiempo de parada” no puede medirseen forma directa y es más difícil de controlar.



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ECUACIÓN DE MENDILUCHEPARA EL CÁLCULO DEL TIEMPO

DE PARADA

CÁLCULO DEL GOLPE DE ARIETE. DEFINICIONESY CONCEPTOS. EXPRESIÓN DE MENDILUCE


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Mendiluce propuso la siguiente expresión para el cálculo del tiempode parada:

0,50

1,00

0,00

30 20 1040 0

m=Pendiente hidráulicaHm/L ó Ht/L

t

parada H g

V LK C T

.

..0



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Tiempo de fase ó tiempo crítico: Es el tiempo que tarda laonda en ir y volver del obturador al embalse,y se calcula de

acuerdo a la siguiente expresión:

Donde:

L: Longitud de la tubería

c: Celeridad de la onda de presión

T fase: Tiempo de fasec

LT fase

.2

rápidoCierre.2

c

LT

lentoCierre

.2

c

LT

Si:

El caso más desfavorable (máximogolpe de ariete) ocurre si el cierrees instantáneo (T≈0), mientras quea mayor tiempo, menor

sobrepresión.


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Generalidades: Conocido el valor del tiempo T y determinado elcaso (cierre lento o rápido), el cálculo del golpe de ariete se

realizará de la siguiente forma:

• Cierre lento: Se utilizará la fórmula de Michaud .

• Cierre rápido: Se utilizará la fórmula de Allievi.

CÁLCULO DE LA SOBREPRESION ASOCIADA ALGOLPE DE ARIETE


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Cierre lento (ecuación de Michaud):

T g

v L

H .

..2

Nota: En la deducción de esta ecuación, se despreció tanto el efectode compresibilidad del agua, como la elasticidad de la tubería.



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Cierre lento:

Donde: Lc se conoce como

Longitud crítica y se calcula como:

2

p

c

T a L



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Cierre rápido (ecuación de Allievi):

g

va

H

.

Donde:

a: Celeridad de la onda (m/s).

v: Velocidad del flujo (m/s).

g: Aceleración de gravedad 9,8m/seg2).



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Cierre rápido:

Donde: Lc se conoce como

Longitud crítica y se calcula como:

2

p

c

T a L

RESUMEN DE CÁLCULOS


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• Calcular la velocidad del flujo dentro de la tubería y enel caso de flujo a presión, la altura manométrica del

equipo de bombeo.

RESUMEN DE CÁLCULOS


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