Golpe de ariette

No podemos evitar que se presente el golpe de ariete, pero lo que si podemos hacer es que se genere una presión menor, mejor dicho, bajar presión a niveles que la tubería la pueda manejar sin ningún problema.

Ahora vamos a ver qué es lo que ocurre en una línea de impulsión

Cuando este sistema está funcionando, el fluido tiene este movimiento (flecha). La inercia del movimiento es así. ¿Qué ocurre cuando apagamos la bomba?

Han visto en un accidente que el conductor o los pasajeros pierden los zapatos en un choque. Esto sucede por la inercia, el choque detiene todo lo que está en movimiento incluyendo a la persona y lo que lleva puesto, pero los zapatos no están tan seguros al cuerpo como puede ser una camisa, los zapatos siguen en movimiento y dependiendo de la pulsión del pie si realmente tiende irse hacia adelante no encuentra una mayor resistencia y el zapato sale del pie. Por haber detenido el vehículo casi muere de forma instantánea, pero si lo detiene gradualmente hay una distancia recorrida y no se van a salir los zapatos.

Aquí qué me dice la inercia, el fluido va a tender a seguir moviéndose, o sea se apagó el equipo de bombeo, dejó de darle movimiento a las partículas del agua, pero el agua que se encuentra después de la bomba va a seguir con la tendencia de irse hacia el lado derecho o sea va a querer continuar con el movimiento entonces ahí se genera una onda. Pero qué ocurre cuando el agua tiende a irse a la derecha, qué ocurre con esa zona, tiende a generarse un vacío y eso se observa si pone un manómetro. Cuando el equipo de bombeo está funcionando marca una presión; cuando apaga el equipo de bombeo lo que va a ocurrir es que la presión baja porque se genera ese vacío parcial debido a que el agua tiende a irse hacia la derecha por inercia. Como no se va a desplazar toda, hay el desplazamiento en un tramo pequeño, pero se genera una onda de presión, esa onda viaja hasta acá (reservorio de arriba) y luego retorna y el problema no es cuándo se va sino cuando retorna. Cuando retorna va a encontrar de repente a la válvula check ya cerrada, entonces ¿qué va a ocurrir con las partículas de agua que están acá? (señala a la salida de la bomba) Las otras van a ir presionándolas y va a ser que ahí haya una gran presión y la tubería se dilate, no tanto las tuberías que están en la caseta de bombeo porque esas son de acero sino en la línea de impulsión. Pero la presión puede se puede mirar aquí sin ningún problema entonces vamos a ver que la presión se incrementa un valor mayor a lo que había inicialmente. O sea, el medidor de presión baja y sube, sube a una presión mayor a la que estaba operando el equipo de bombeo y cuando sube acá (señala un punto por encima de LGH MÁXIMO) comienza a bajar gradualmente hasta este valor (LGH FINAL). Entonces cuando retorna el agua y genera la alta presión, esa es la que va a causar daño a la tubería, pero no la va a causar en ese momento. Digamos que instala el equipo, comienza a funcionar, viene superior al golpe de ariete no se va a dañar la tubería porque en fabrica las tuberías la prueban hasta dos veces la presión nominal que dice ahí y lo prueba por tiempos cortos; entonces aquí la tubería lo soporta sin problema de repente 4 veces en el día, puede ser durante semana o meses. Pero va a llegar un momento en que tanto lo golpean a la tubería que finalmente la destruyen. La tubería sometida a ese incremento importante de presión, inicialmente la va soportando, pero la va debilitando hasta que llegue un momento que la tubería no soporta y se rompe. Ahí recién vemos el problema del golpe de ariete y no es que se haya presentado recientemente, sino se ha presentado anteriormente solo que de repente no teníamos los instrumentos que nos indicaran qué había problemas con la tubería con sobrepresión. Por eso en la estación de bombeo los manómetros deben estar funcionando permanentemente y el operador tiene que ver ahí, cuando se apague el equipo de bombeo una de las cosas que el operador tiene que ver es cómo están las presiones, por ejemplo: se apagó el equipo de bombeo y subió hasta 200 psi cuando está operando 150 psi entonces algo está fallando ahí; es parte del control rutinario que tiene que hacer el operador, eso hay que indicarle a detalle para que él pueda tomar la información y pueda detectar el problema a tiempo.

Aquí hay una check (después de la bomba), esa check se abre por el mismo flujo y el agua pasa, cuando se apaga el equipo de bombeo y no hay flujo, el disco se cae, pero si la onda que va a y viene, llega la onda y encuentra todavía la tubería abierta entonces el golpe de ariete es bajo porque no encuentra nada que obstruya el fluido. Cuando se cierra recién se presenta el golpe de ariete porque ahí es el efecto inverso de la onda, pero ya gran parte del fluido ha salido y el golpe de ariete es bajo. Pero si esa válvula se cierra antes de que regresa la onda ahí si aparece plenamente el golpe de ariete. Entonces mucho depende la velocidad de cierre de válvula check y la velocidad con que venda la onda de presión. Generalmente en las estaciones de bombeo ponemos válvulas check de cierre lento para evitar que se genere el golpe de ariete. El tiempo que va y viene la onda también depende de la longitud de la línea de impulsión, si la línea es larga la válvula lo va a cerrar antes de que llegue, pero si la línea es corta de repente la válvula no se cierra y ya paso la onda y no hay golpe de ariete.

¿Cómo determinamos esa velocidad de la onda de presión que va a generar?

Esa onda de presión que se genera en la tubería la podemos calcular, a esa velocidad se le llama celeridad. Allievi encontró una fórmula

Que datos tenemos ahí:

Nos interesa este K: (módulo de elasticidad del agua/módulo de elasticidad de material de la tubería de impulsión = K=E_H2O/E_t

D: diámetro interior, en el caso del PVC depende de la clase

e: espesor de la tubería

Si quisiéramos disminuir la velocidad tendríamos que aumentar el diámetro, pero si aumentamos el diámetro ¿qué ocurre con la línea de impulsión? El costo de la línea de impulsión se incrementa, pero ¿qué ocurre con el equipo de bombeo? La potencia disminuye y el costo de equipamiento disminuye. Entonces sí podríamos modificar el diámetro para obtener una mejor velocidad, pero no garantiza que sea el diámetro económico, lo que hacemos es solucionar el diámetro económico con costos y luego vemos que hacer para proteger la tubería contra el golpe de ariete. Si quisiera mejorar la velocidad puedo mover el espesor de la tubería, entonces tendría que disminuir, pero eso tampoco se puede hacer porque si disminuyo voy a tener que la presión que puede soportar la tubería es menor. Lo que podría hacer es aumentar el espesor, o sea, aumentar la clase porque eso si protege la tubería, pero hay un problema con la celeridad.

Por eso no es que se diseñe con la celeridad, sino que luego se verifica, una vez que ya se hizo el diseño de la línea, o sea determino cual es el diámetro, cual es el equipamiento, verifica para esas condiciones cómo se comporta con golpe de ariete; entre ellos la velocidad de propagación de la onda de presión (celeridad) y qué medidas tiene que hacer para controlar eso. No es que usted va a cambiar el diámetro de la tubería por efectos del golpe de ariete, en este caso la celeridad.

Ahora, después de la bomba se coloca una válvula check una para que la línea de impulsión siempre esté llena de agua porque sino siempre que se quiera bombear primero llenaríamos la tubería y luego recién estaríamos entregando agua. Y otra es para proteger la bomba del golpe de ariete que puede generar el agua cuando se apaga el sistema.

Tiempo de oscilación (t)

Es el tiempo que tarda la onda de presión en dar una oscilación completa, en recorrer la línea ida y vuelta.

Otro que tenemos que evaluar es el tiempo de oscilación: cuando decíamos que se apaga el equipo de bombeo aparece una onda que sale y luego retorna (línea roja desde el bombeo hacia la descarga y retorno). Ese retorno es con esta fórmula.

Es el tiempo de oscilación, sale y usted ve que la onda se aleja y luego ve que la onda regresa, esa onda recorre dos veces la longitud de la tubería de ida y de vuelta. Ese tiempo se tiene que determinar. Acá hay varias variantes que usted debe tener en cuenta.

OLIVARES PREGUNTA: de la fórmula de la celeridad, pregunto si la tubería fuera de PVC y de un solo diámetro, cuantas celeridades hay ahí. Hay tres porque hay tres clases de tubería, cada clase tiene un diámetro interno diferente y un espesor diferente, significa que hay tres velocidades. Digamos que al inicio va por 500 m/s, luego por 450 m/s y al último con 450 m/s, o sea va al inicio más rápido luego más lento y cuando regresa va lento y luego incremente su velocidad. Entonces cuando tiene una línea de impulsión de un solo diámetro y una sola clase la velocidad es única; pero si existen diferentes diámetros, diferentes espesores y con un solo material ya hay diferentes velocidades. Entonces determina la velocidad y el tiempo en cada tramo, suma los tiempos y lo multiplica por dos y eso es lo que la onda va a demorar y luego retorna.

Hay algunas líneas de impulsión que tienen dos materiales de tubería por X motivos, si tuviera dos materiales de tubería eso refleja en el valor de K. Vamos a suponer que estas clases son de tubería y se tienen dos zonas de diferentes materiales, cuantas velocidades hay ahí. Hay 4 velocidades.

Para calcular el tiempo usted tiene que encontrar la velocidad en cada uno de los tramos.

Entonces determinamos la onda de presión, la celeridad

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