MECANICA DE FLUIDOS II

ALUMNO : CACERES MOSCOSO FERNANDO ADOLFO

CODIGO : 2011 - 129021Usuario |

1. GOLPE DE ARIETE

Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las

paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado

bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una

tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o

una aceleración en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula

en la línea.  Al cerrarse rápidamente una válvula en la tubería durante el

escurrimiento, el flujo a través de la válvula se reduce, lo cual incrementa la

carga del lado aguas arriba de la válvula, iniciándose un pulso de alta presión

que se propaga en la dirección contraria a la del escurrimiento.  Esta onda

provoca sobrepresiones y depresiones las cuales deforman las tuberías y

eventualmente la destruyen. 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 y por lo tanto 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

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infinito. En la práctica, el cierre lleva algún tiempo, 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 la Ingeniería es muy importante determinar la magnitud de esta

sobrepresión con el objeto de poder 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

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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.

En la figura tenemos un reservorio, una tubería y una válvula colocada a una

distancia "L". si la válvula se cierra en un tiempo "Tv", se desarrollará una

sobrepresión "D h" que viajará con una celeridad "Cs". Cuando la onda llega al

reservorio, toda la tubería está dilatada y toda el agua está comprimida por la

sobrepresión. Sin embargo, es imposible que en el reservorio exista una

presión superior a la carga hidráulica "h", por lo cual la sobrepresión "D h" se

reduce a cero en el punto "A".

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Igual como sucede en un resorte largo que es estirado y luego dejado libre, la

tubería debido a la elasticidad del material de que está hecha, se contrae hasta

un tamaño ligeramente menor que el previo a la sobrepresión, produciéndose

una salida de agua mayor que el aumento de volumen causado por la

sobrepresión. Este fenómeno es acompañado por una reducción de la presión

que, por inercia, debería ser ( en teoría) igual y de sentido inverso a la

sobrepresión. Este fenómeno se repetirá continuamente, presentándose una

serie de ondas de presión que oscilan entre valores de ( + D h ) y ( - D h ) cada

vez menores, debido a la disipación de la energía, hasta que finalmente es

sistema se estabiliza llegando a tenerse la presión hidrostática.

La celeridad es la velocidad de propagación de la onda, la cual puede ser

calculada por la fórmula:

Donde: C= Celeridad de la onda; m/s

D= Diámetro de los tubos; m

E= Espesor de los tubos; m

K= coeficiente que tiene en cuenta los módulos de elasticidad.

Estos valores se conocen en tablas para determinado material.

1.1 GOLPE DE ARIETE EN LAS LINEAS DE DESCARGA

El caso mas importante de golpe de ariete en una línea de descarga de

bombas accionadas por motores eléctricos, se verifica luego de una

interrupción de energía eléctrica.

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En este caso, debido a la inercia de las partes rotativas de los conjuntos

elevadores, inmediatamente después de la falta de corriente, la velocidad de

las bombas comienza a disminuir, reduciéndose rápidamente el caudal. La

columna líquida continúa subiendo por la tubería de descarga, hasta el

momento en que la inercia es vencida por la acción de la gravedad. Durante

este periodo se verifica una descompresión en el interior de la tubería.

Enseguida, ocurre la inversión en el sentido del flujo y la columna líquida vuelve

a las bombas.

No existiendo válvulas de retención, las bombas comenzarían, entonces, a

funcionar como turbinas, girando en el sentido contrario.

Con excepción de los casos en que la altura de elevación es pequeña, con

descarga libre, en la líneas de bombeo son instaladas válvulas de retención o

válvulas check, con el objeto de evitar el retorno del líquido a través de las

bombas.

La corriente líquida, al retornar a la bomba, encontrando la válvula de retención

cerrada, ocasiona el choque y la compresión del fluido, lo cual da origen a una

onda de sobrepresión (golpe de ariete).

Si la válvula chek funciona normalmente, cerrándose en el momento preciso, el

golpe de ariete no alcanzará el valor correspondiente a dos veces la altura

manométrica.

Si, por el contrario, la válvula chek no cierra rápidamente, la columna líquida

retornará, pasando a través de la bomba y con el tiempo, pasará a adquirir

velocidades mas altas, elevándose considerablemente el golpe de ariete, en el

momento en que la válvula funcione (Pudiendo alcanzar 300% de la carga

estática, dependiendo del tiempo de cierre).

El cálculo riguroso del golpe de ariete en una instalación de bombeo exige el

conocimiento previo de datos relativos a los sistemas de bombeo, que influyen

en el fenómeno:

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a. El momento de inercia de las partes relativas de la bomba y el motor.

b. Características internas de la bomba (efectos sobre la disipación de

energía, funcionamiento como turbina).

c. Condiciones de la bomba en la rama de descarga y comportamiento de

la onda de presión.

1.2 MEDIDAS GENERALES CONTRA EL GOLPE DE

ARIETE

El golpe de ariete es combatido, en la práctica, por varias medidas.

1. Limitación de la velocidad en tuberías.

2. Cierre lento de válvulas o registros. Construcción de piezas que no

permitan la obstrucción muy rápida.

3. Empleo de válvulas o dispositivos mecánicos especiales. Válvulas de

alivio, cuyas descargas impiden valores excesivos de presión.

4. Fabricación de tubos con espesor aumentado, teniendo en cuenta

la sobrepresión admitida.

5. 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.

6. 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.

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2. RAPIDAS

Las RAPIDAS son usadas para conducir agua desde una elevación

mayor a una más baja. La estructura puede consistir de:

Una transición de entrada.

Un tramo inclinado

Un disipador de energía

Una transición de salida.

La Figura Nº 1 muestra la relación de las diferentes partes de la estructura.

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La transición de entrada

Transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo

inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleración del agua y la

erosión en el canal. El control es logrado por la combinación de una retención,

un vertedero o un control notch en la entrada. La entrada usada deberá ser

simétrica con respecto al eje de la rápida, permitir el paso de la capacidad total

del canal aguas arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas arriba, y

donde sea requerido, permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la

operación de la rápida sea suspendida. Las pérdidas de carga a través de la

entrada podrían ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente

pequeñas que no afecten el resultado final. De otra manera, las pérdidas a

través de la entrada deben ser calculadas y usadas en la determinación del

nivel de energía en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente del fondo de la

entrada es suave puede asumirse que el flujo crítico ocurre donde la pendiente

suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En el

caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para

soportar una velocidad mayor que la velocidad crítica, debería calcularse dicha

velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energía al

inicio del tramo inclinado.

El tramo inclinado, con canal abierto, generalmente sigue la superficie

original del terreno y se conecta con un disipador de energía en el extremo más

bajo.

Poza Disipadora o salidas con obstáculos (baffled outlets) son usadas como

disipadores de energía en este tipo de estructuras.

Una transición de salida es usada cuando es necesaria para conectar el flujo

entre el disipador de energía y el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el

tirante de aguas abajo (tallwater) al disipador de energía, la superficie de agua

en la salida debe ser controlada. Si se construye una transición de salida de

concreto y no hay control del flujo después en el canal, la transición puede ser

usada para proveer el remanso elevando el piso de la transición en el sitio de la

uña, como se muestra en la Figura Nº1.

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El tirante de aguas abajo también puede ser provisto por la construcción de un

control dentro de la transición de salida. La pérdida de carga en la transición de

salida es despreciable.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Coeficiente de Rugosidad de Manning

En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo son

usados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de Manning (n)

- Cuando se calcula la altura de muros en una rápida de concreto, se asume

valores de n = 0.014. - En el cálculo de niveles de energía, valores de n = 0.010

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