Diferencia entre revisiones de «Golpe de ariete»
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Revisión del 14:20 18 may 2014
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Golpe de ariete.También conocido como pulso de Zhukowski es el fenómeno físico que ocurre cuando varía bruscamente la [Presión|presión] de un fluido dentro de una tubería, motivado por el cierre repentino de una llave, grifo o válvula; también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor o [Bomba hidráulica|bomba hidráulica]. Durante la fluctuación brusca de la presión el líquido fluye a lo largo de la tubería a una velocidad definida como de propagación de la onda de choque.
Las deformaciones elásticas en el líquido y en las paredes de la tubería que provocan este fenómeno se consideran indeseables porque causan frecuentes roturas en las redes hidráulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y también es causante de los sonidos característicos que escuchamos en las tuberías cuando abrimos o cerramos un grifo bruscamente en nuestras casas. Por tal razón, con frecuencia se diseñan válvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad.
Sumario
Explicación del fenómeno
Debido a las propiedades ligeramente elásticas del fluido al ocurrir el cerrado brusco de la vávula por donde circula un a cierta velocidad y de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen detrás y que siguen aún en movimiento, situación que provoca el aumento de la presión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Este aumento de presión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal.
Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae.
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 (condiciones ideales)donde 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(Tv), 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.
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.
En Ingeniería es muy importante determinar la magnitud de esta sobrepresión para 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.
Cálculo del golpe de ariete
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 según muestra la figura.
Para el caso particular de tener agua como fluido:
donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor:
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.
Las bombas de ariete funcionan gracias a este fenómeno.
Como se puede prever en la practica
- Limitando la velocidad en tuberías.
- Cierre lento de válvulas o registros. Construcción de piezas que no permitan la obstrucción muy rápida. Empleo de válvulas o dispositivos mecánicos especiales. Válvulas de alivio, cuyas descargas impiden valores excesivos de presión.
- Teniendo en cuenta la sobrepresión admitida en el calculo del espesor de las tuberias.
- 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.
- 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.
Algo de Historia
El científico ruso N. Zhukovski (1847-1921) estudió este fenómeno por primera vez en su obra Sobre el choque hidráulico, como parte de sus indagaciones hidroaeromecánicas, que constituyeron la base teórica para la ulterior comprensión del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o `ariete hidráulico, lo que demuestra que los fenómenos físicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armónica actuación del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano.
En una cervecería del condado inglés de Cheshire, John Whitehurst fomentó su ingenio para construir un aparato con un principio de funcionamiento novedoso: accionaba manualmente un grifo en una tubería conectada a un tanque de abasto, en un nivel superior, para provocar el fenómeno físico de golpe de ariete, que permitía elevar el líquido a un tanque de almacenamiento colocado a una altura mayor. Un niño se ocupaba de accionar el artefacto, que funcionó desde 1772 hasta 1800.
