GOLPE DE ARIETE

INTRODUCCIN DEL GOLPE DE ARIETELa necesidad de transportar agua desde un nivel inferior a otro superior justifica la presencia de numerosas tuberas de impulsin en cualquier instalacin hidrulica real.El problema comenz a estudiarse en profundidad con ocasin de los grandes bombeos que se estaban proyectando en el ro Colorado, lo que dio lugar a un Symposium (1933) sobre Golpe de Ariete, promovido conjuntamente por ASME (American Society of Mechanical Engineers) y ASCE (American Society of Civil Engineers), as como el primer estudio de las curvas caractersticas completas de las bombas (Knapp R.T., 1937) en los cuatro posibles cuadrantes de trabajo. Importantes contribuciones al estudio de impulsiones son debidas a Bergeron (1950) y Parmakian (1955) que resuelven el problema de manera completa siguiendo el conocido mtodo grfico de integracin de las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que gobiernan la transmisin de la perturbacin.El golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o disminucin de la velocidad del flujo. Estas fluctuaciones de presin pueden ser lo suficientemente severas como para romper la tubera de agua. Los problemas potenciales del golpe de ariete pueden ser considerados al evaluarse el diseo de las tuberas y cuando se realiza un anlisis detallado de las oscilaciones de presin, en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos en el sistema de distribucin. Cualquier cambio mayor en el diseo del sistema principal o cambio en la operacin deben incluir la consideracin de los problemas potenciales de golpe de ariete. Este fenmeno y su significado tanto para el diseo como para la operacin de los sistemas de agua, no es ampliamente entendido, como demuestra por el nmero y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete.

DEFINICIN DEL GOLPE DE ARIETE

El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado as por el ingeniero ruso Nikoli Zhukovski) es, junto a la cavitacin, el principal causante de averas en tuberas e instalaciones hidrulicas.El golpe de ariete (choque hidrulico) es el incremento momentneo en presin, el cual ocurre en un sistema de agua cuando hay un cambio repentino de direccin o velocidad del agua. Cuando una vlvula de rpido cierre cierra repentinamente, detiene el paso del agua que est fluyendo en las tuberas, y la energa de presin es transferida a la vlvula y a la pared de la tubera. Las ondas expansivas se activan dentro del sistema. Las ondas de presin viajan hacia atrs hasta que encuentran el siguiente obstculo slido, luego continan hacia adelante, luego regresan otra vez. La velocidad de las ondas de presin es igual a la velocidad del sonido; por lo tanto, su explosin a medida que viaja hacia adelante y hacia atrs, hasta que se disipa por la prdida de friccin. Cualquiera que haya vivido en una casa antigua est familiarizado con la explosin que resuena a travs de las tuberas cuando una llave de agua es cerrada repentinamente. Esto es un efecto del golpe de ariete. Una forma menos severa del golpe de ariete es llamada oscilacin, que es un movimiento lento en forma de ola de una masa de agua causado por fluctuaciones internas de presin en el sistema. Esto puede ser visto como una onda de presin que se forma lentamente dentro del sistema. El golpe de ariete y oscilacin, se refieren a presiones transitorias. Si no se controlan, ambas darn los mismos resultados como son: Daos a las tuberas, accesorios y vlvulas, causando fugas y reduciendo la vida til del sistema. Ni la tubera ni el agua se comprimirn para absorber el choque del agua.

CAUSAS DEL GOLPE DE ARIETE Las condiciones de operacin de un sistema de transporte de agua casi nunca estn en un estado constante. Las presiones y los flujos cambian continuamente a medida que la bomba se enciende y se apaga, la demanda flucta y los niveles del tanque cambian. Adicionalmente a estos eventos normales existen acontecimientos imprevistos tales como interrupciones de energa y el mal funcionamiento de los equipos, lo que puede cambiar rpidamente las condiciones de operacin de un sistema. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flujo del lquido, sin importar el nivel o magnitud del cambio, requiere que el lquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de flujo. Los cambios rpidos en el nivel del flujo requieren grandes fuerzas que son vistas como presiones altas, las cuales causan golpe de ariete.

El aire atrapado o los cambios de temperatura del agua tambin pueden causar excesiva presin en las lneas de agua. El aire atrapado en la lnea se comprimir y ejercer una presin extra en el agua. Los cambios de temperatura causan que el agua se expanda o se contraiga, afectando tambin la presin. Las presiones mximas experimentadas en un sistema de tuberas son frecuentemente el resultado de la separacin de una columna de vapor, la cual es causada por la formacin de paquetes vacos de vapor cuando la presin cae tan bajo que el lquido embulle o se vaporiza. Las presiones dainas pueden ocurrir cuando estas cavidades se colapsan. Las causas del golpe de ariete son muy variadas. Sin embargo existen cuatro eventos comunes que tpicamente inducen grandes cambios de presin, los cuales se mencionan a continuacin:1) El arranque de la bomba puede inducir un colapso rpido del espacio vaco que existe aguas abajo de la bomba.

2) Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rpido en la energa de suministro del flujo, lo que causa un aumento de la presin en el lado de succin y una disminucin de presin en el lado de la descarga. La disminucin es usualmente el mayor problema. La presin en el lado de descarga de la bomba alcanza la presin de vapor, resultando en la separacin de la columna de vapor.

3) La abertura y cierre de la vlvula es fundamental para una operacin segura de la tubera. Al cerrarse una vlvula, la parte final aguas debajo de una tubera crea una onda de presin que se mueve hacia el tanque de almacenamiento. El cerrar una vlvula en menos tiempo del que toma las oscilaciones de presin en viajar hasta el final de la tubera y en regresar se llama cierre repentino de la vlvula. El cierre repentino de la vlvula cambiar rpidamente la velocidad y puede resultar en una oscilacin de presin. La oscilacin de presin resultante de una abertura repentina de la vlvula usualmente no es tan excesiva.

4) Las operaciones inapropiadas o la incorporacin de dispositivos de proteccin de las oscilaciones de presin pueden hacer ms dao que beneficio. Un ejemplo es el exceder el tamao de la vlvula de alivio por sobre-presin o la seleccin inapropiada de la vlvula liberadora de aire/vaco. Otro ejemplo es el tratar de incorporar algunos medios de prevencin del golpe de ariete cuando este no es un problema.

La oscilacin de presin debe ser incorporada junto con la presin de operacin durante el diseo de la tubera. Las recomendaciones y requerimientos con respecto a presiones de las oscilaciones permisibles estn dados en los estndares y manuales para la prctica de abastecimiento de agua de los Trabajos Americanos de Agua (AWWA, siglas en ingls) y varan dependiendo del tipo de tubera utilizada.

MTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL GOLPE DE ARIETEA continuacin se presentan algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete:1) Vlvula: El golpe de ariete usualmente daa a las bombas centrfugas cuando la energa elctrica falla. En esta situacin, la mejor forma de prevencin es tener vlvulas controladas automticamente, las cules cierran lentamente. (Estas vlvulas hacen el trabajo sin electricidad o bateras. La direccin del flujo los controla). Al cerrarse la vlvula lentamente se puede moderar el aumento en la presin cuando las ondas de sobre-presin del agua de abajo regresan del tanque de almacenamiento. El aire arrastrado o los cambios de temperatura del agua pueden ser controlados por la vlvula de descarga de la presin, los cuales estn fijados para abrir con presin excesiva en la lnea y luego se cierran cuando la presin cae. Las vlvulas de descarga son comnmente usadas en estaciones de bombeo para controlar la oleada de presin y proteger la estacin de bombeo. Estas vlvulas pueden ser un mtodo efectivo de control transitorio. Sin embargo, deben ser propiamente clasificadas y seleccionadas para realizar la tarea para la que estn previstas sin producir efectos secundarios.

Si la presin pudiera bajar en los puntos elevados, una vlvula liberadora de aire y de vaco debe ser usada. Todos los descensos donde las presiones pudieran bajar mucho deben ser protegidos con vlvulas liberadoras de aire. Las vlvulas liberadoras de aire si estn apropiadamente clasificadas y dimensionadas, pueden ser el medio menos costoso para proteger el sistema de tuberas. Una vlvula liberadora de aire deber ser lo suficientemente larga para admitir suficientes cantidades de aire durante las oscilaciones de presin aguas abajo y para que la presin en las tuberas no baje mucho. Sin embargo, no deber ser tan larga que contenga un gran volumen de aire innecesario, porque este aire tendr que ser ventilado lentamente, incrementando el tiempo muerto del sistema. El tamao de la vlvula de descarga de aire es, como se ha mencionado, crtico.

2) Bomba: Los problemas de operacin en el arranque de la bomba pueden usualmente ser evitados incrementando el flujo en la tubera lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Incluso, un simple medio para reducir las oscilaciones hidrulicas de presin es el mantener bajas velocidades en la tubera. Esto no solo resultar en oscilaciones bajas de presin, sino tambin resultar en bajos niveles de caballos de fuerza durante la operacin, y as, conseguir una mxima economa de operacin.

3) Tanque de Oscilacin: En tuberas muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua directamente conectado a la tubera llamado tanque de oscilacin. Cuando la oscilacin es encontrada, el tanque actuar para liberar la presin, y poder almacenar el lquido excesivo, dando al flujo un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la expansin de la pared de la tubera y compresin del fluido. Los tanques de oscilacin pueden servir para ambos, fluctuaciones positivas y negativas. Estos tanques de oscilacin tambin pueden ser diseados para proporcionar flujo al sistema durante una oscilacin agua abajo, de esta manera previene o minimiza la separacin de la columna de vapor. Sin embargo, los tanques de oscilacin pueden ser un dispositivo de control costoso.

4) Cmara de Aire: Las cmaras de aire son instaladas en reas donde se puede encontrar el golpe de ariete frecuentemente, y tpicamente pueden ser vistos detrs de accesorios de los lavabos y la tina de bao. De forma fina como botellas volteadas al revs y con un pequeo orificio conectado a la tubera, estn llenos de aire. El aire se comprime para absorber el choque, protegiendo a los accesorios y a la tubera.

GOLPE DE ARIETE EN LNEAS DE DESCARGAEl caso ms importante de golpe de ariete en una lnea de descarga de bombas accionadas por motores elctricos, se verifica luego de una interrupcin de energa elctrica.En este caso, debido a la inercia de las partes rotativas de los conjuntos elevadores, inmediatamente despus de la falta de corriente, la velocidad de las bombas comienza a disminuir, reducindose rpidamente el caudal. La columna lquida contina subiendo por la tubera de descarga, hasta el momento en que la inercia es vencida por la accin de la gravedad. Durante este periodo se verifica una descompresin en el interior de la tubera.Enseguida, ocurre la inversin en el sentido del flujo y la columna lquida vuelve a las bombas. No existiendo vlvulas de retencin, las bombas comenzaran, entonces, a funcionar como turbinas, girando en el sentido contrario. Con excepcin de los casos en que la altura de elevacin es pequea, con descarga libre, en la lnea de bombeo son instaladas vlvulas de retencin o vlvulas check, con el objeto de evitar el retorno del lquido a travs de las bombas.

La corriente lquida, al retornar a la bomba, encontrando la vlvula de retencin cerrada, ocasiona el choque y la compresin del fluido, lo cual da origen a una onda de sobrepresin (golpe de ariete). Si la vlvula chek funciona normalmente, cerrndose en el momento preciso, el golpe de ariete no alcanzar el valor correspondiente a dos veces la altura manomtrica. Si, por el contrario, la vlvula chek no cierra rpidamente, la columna lquida retornar, pasando a travs de la bomba y con el tiempo, pasar a adquirir velocidades ms altas, elevndose considerablemente el golpe de ariete, en el momento en que la vlvula funcione (Pudiendo alcanzar 300% de la carga esttica, dependiendo del tiempo de cierre).El clculo riguroso del golpe de ariete en una instalacin de bombeo exige el conocimiento previo de datos relativos a los sistemas de bombeo, que influyen en el fenmeno:

a) El momento de inercia de las partes relativas de la bomba y el motor.b) Caractersticas internas de la bomba (efectos sobre la disipacin de energa, funcionamiento como turbina).c) Condiciones de la bomba en la rama de descarga y comportamiento de la onda de presin.

LOS PELIGROS DEL GOLPE DE ARIETECuando el vapor es principalmente suministrado a el equipo usuario o a la tubera de distribucin de vapor, un bang, bang, bang metlico y repetitivo; o incluso un boom violento acompaado de vibracin podra ser escuchado. La mayora de los usuarios de vapor probablemente han experimentado alguna de estas anteriormente.Cuando ocurre el golpe de ariete, la presin podra cambiar momentneamente de manera abrupta por ms de 10MPa dentro de la tubera. Este impacto puede daar seriamente la tubera, equipo o cubierta de la maquinaria, resultando en daos no solo para las juntas en las uniones, pero tambin en las bridas de vlvulas o las vlvulas mismas.

Tan pronto como algo como esto, como una vlvula, se daa, grandes cantidades de condensado caliente o de vapor comienzan a fugarse, lo que podra llevar a un serio accidente. Incluso ha habido reportes de muertes que se producen debido al golpe de ariete. A pesar de esto, existe muy poca informacin o investigacin dedicada a sus causas y prevencin, y muchos usuarios de vapor se encuentran en desventaja en cmo hacerle frente a este problema.

LOCALIZACION Y CAUSAEl golpe de ariete puede generar un gran impacto con fuerza suficiente como para daar una vlvula de manera instantnea u ocasionar pequeos daos durante un largo periodo de tiempo. Cualquiera que sea el caso, ambas situaciones pueden generar serios accidentes, por lo que se deben tomar contramedidas.

IMPORTANCIA DE IDENTIFICAR LA LOCALIZACIN Y CAUSACuando se trata de prevenir el golpe de ariete, es importante determinar su tiempo y locacin, pero lo es ms importante el determinar la causa ms probable.Dos consejos que se podran escuchar acerca del rea de trabajo son: Cierre inmediatamente la vlvula de corte si ocurre el golpe de ariete. y

Opere lentamente la vlvula de corte.

Cerrar la vlvula inmediatamente cortara el flujo de vapor, y l se podra detener el golpe de ariete.Al operar lentamente la vlvula, por otro lado, tiene dos principales objetivos que son: Detener el flujo de vapor, el cual debilitara la fuerza de la inercia y esto debilitara los impactos que ocurren dentro de la tubera.

Prevenir la generacin repentina de condensado, el cual limita la cantidad de condensado generado por unidad de tiempo.

Al abrir lentamente la vlvula, el condensado no puede fluir rpidamente. Esto podra ayudad a prevenir el primer tipo de golpe de ariete, ocasionado por condensado a alta velocidad chocando contra la tubera.

Si el cierre o apertura de la vlvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubera ida y vuelta, la sobrepresin mxima se calcula como sigue:

,Donde: es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresin o depresin, es la velocidad media del fluido, en rgimen, es la aceleracin de la gravedad.

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

Donde: es el mdulo elstico del fluido, es la densidad del fluido, es el mdulo de elasticidad (mdulo de Young) de la tubera que naturalmente depende del material de la misma, es el espesor de las paredes de la tubera, es el dimetro de la tubera.

Para el caso particular de tener agua como fluido:

Esta expresin se llega a la frmula de Allievi:

Donde:Se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubera, y a modo de referencia se da el siguiente valor:

El problema del golpe de ariete es uno de los problemas ms complejos de la hidrulica, y se resuelve generalmente mediantemodelos matemticosque permiten simular el comportamiento del sistema. Lasbombas de arietefuncionan gracias a estefenmeno.

CONCLUSIN El golpe de ariete continuar desafiando a ingenieros, operadores, y directores de sistemas de agua porque est asociado con sistemas que no pueden ser definidos exactamente debido al tamao y largo del sistema de distribucin de agua con un perfil ondulante o por la falta de definicin de los componentes del sistema tales como las vlvulas o las bombas. Existe una necesidad de un acercamiento ms prctico mientras que la investigacin contina proporcionando mejores descripciones de la fsica del golpe de ariete y mientras que las soluciones computacionales proporcionen herramientas ms tiles que incluyan esos principios.

BIBLIOGRAFIAhttp://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/golpedeariete2/golpedeariete2.htmlhttp://www.nesc.wvu.edu/pdf/dw/publications/ontap/2009_tb/spanish/water_hammer_DWFSOM141.pdf National Drinking Water Clearinghouse. 2001.Ask the Experts. On Tap. Vol. 1, Issue 3:1011.https://www.uclm.es/area/ing_rural/Hidraulica/Temas/Tema11.pdfhttp://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_2611_C.pdfhttp://www.fi.uba.ar/archivos/institutos_golpe_ariete.pdf