Uno de los fenómenos de estudio más importante en el diseño de redes de agua potable y de centrales hidroeléctricas es el denominado golpe de ariete o martillo hidráulico; el cual, es causado por un cambio repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas en una instalación hidráulica, ocasionando importantes daños en infraestructura, e inclusive accidentes fatales.
Este fenómeno ha sido estudiado por diferentes científicos como Michaud, Gromeka, Frizell, Joukowski, Allieve, entre otros. Actualmente, uno de los principales aportes para el estudio del golpe de ariete es la utilización de modelaciones por medio de CFD (Computational Fluid Dynamics) basados en las ecuaciones de Navier Stokes.
El fenómeno de golpe de ariete es denominado como un problema clásico de la mecánica de fluidos, ocasionado por la retardación o aceleración del flujo en el instante en que una válvula es cerrada bruscamente en un conducto cerrado.
El término golpe de ariete remonta a los cambios de presión como consecuencia de las variaciones de velocidad en el escurrimiento del fluido. Este estado se denomina transitorio o transitorios hidráulicos.
Los transitorios hidráulicos son estados causados por un cambio en la operación del sistema como por ejemplo cierre parcial o total de una válvula, detención de bombas, cambios bruscos en la demanda, cambios de nivel en estanques de almacenamientos, etc. Durante los transitorios hidráulicos, los cambios de velocidad del fluido se traducen en cambios de presión, propagándose estas ondas de presión por la tubería a la velocidad del sonido.
Tipos de Flujos
Se entiende por flujo como el volumen de un fluido que transcurre por una superficie en un determinado tiempo, en este aspecto, es el caudal que circula por una superficie. El caudal se puede determinar con la siguiente expresión matemática en función del área de la superficie (A) y de la velocidad media (v):
Q = A∗ v
La clasificación de flujo puede realizarse de varias maneras, atendiendo al cambio de velocidad y dirección que sufren las partículas debido al espacio recorrido; al cambio de velocidad, dirección y posición de las partículas respecto al tiempo y, a las variaciones de las propiedades de las partículas respecto al tiempo. En la figura 1 se muestra de forma general una posible clasificación de los tipos de flujo.
Otra forma de clasificar los flujos es por medio del conducto en el cual transitan, como flujo en canales abiertos y flujo en conductos cerrados. El primero de ellos se define como un flujo libre en el cual, los fluidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido.
En el caso de flujo en conductos cerrados, el movimiento del fluido se realiza por tubería sobre los que se ejerce una presión diferente a la atmosférica; es precisamente en esta condición donde se produce el fenómeno.
Para el estudio del golpe de ariete se consideran las siguientes clasificaciones de flujo en conducto cerrado:
• Flujo laminar: Se define como un flujo ordenado, en el que los movimientos de las partículas tienen solamente el sentido y la dirección del movimiento principal del fluido. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente representada en la figura 2
• Flujo permanente: Se denomina flujo permanente a aquel en el que las características hidráulicas en una determinada sección del conducto permanecen constantes para cualquier instante y no varían con el tiempo.
• Flujo transitorio: Es llamado también como flujo no permanente o no estacionario. Se define como aquel flujo en el que las propiedades del fluido como densidad, presión y velocidad cambian con el tiempo, siendo un caso de estudio el fenómeno de golpe de ariete, debido al cambio de dirección del vector de velocidad.
Descripción del fenómeno de golpe de ariete.
El golpe de ariete o también llamado por algunos autores como golpe de martillo se define como un fenómeno hidráulico, producido por fluctuaciones rápidas en el flujo cuando una perturbación opera sobre el fluido en movimiento en un conducto cerrado, ocasionando variaciones de presión por encima o debajo de la presión de operación y cambios bruscos en la velocidad.
Estas variaciones de presión del fluido ocasionadas por interrumpir o iniciar el flujo dentro de una tubería conllevan repentinamente a un comportamiento oscilatorio, con amplitud de onda de gran magnitud, las cuales se van amortiguando hasta que la tubería en la cual se ha generado el fenómeno logra absorber la energía del impacto y la presión del conducto se estabiliza.
En la figura 3 se muestra el proceso generado al momento de cerrar la válvula, deteniendo el paso del fluido que está en movimiento en el sistema, ocasionando que la energía de presión sea transferida a la válvula y a la pared de la tubería, cambiando la dirección a la cual viaja el fluido. Lo anteriormente mencionado es lo que se conoce como sobrepresión, o un golpe de ariete positivo; por el contrario, al abrir rápidamente una válvula se puede producir una depresión, o golpe de ariete negativo.
En la figura 3, “a” es la velocidad de propagación de la onda del golpe de ariete, v la velocidad del fluido, “D” el diámetro de la tubería y “∆D” es lo que se dilata debido al incremento de presión.
En la figura 4, se muestra una representación de la propagación y reflexión de la onda del fenómeno en una tubería de longitud “L” provocada por el cierre instantáneo de una válvula, ubicada en el extremo de aguas abajo que comienza desde un depósito con altura “H”.
La duración de este fenómeno se divide en cuatro periodos, teniendo una duración de “L/a” cada uno, la suma de aquellos equivale a un tiempo total de “4L/a” indicada en las figuras 4.a hasta la 4.d, para las cuales las condiciones del flujo son estables en el tiempo t = 0, con una velocidad v = vo con dirección desde el depósito hacia la válvula. Además, se considera que no existen en el sistema pérdidas por fricción, obteniendo una presión a lo largo de la tubería correspondiente a la cota piezométrica del depósito “H”.
A continuación, se detalla los 4 periodos definidos anteriormente:
Primer periodo: 0 < t ≤ L/a (figura 4.a)
En el tiempo t = 0 se entiende que la válvula se ha cerrado completamente, reduciendo la velocidad del fluido a cero e incrementando la presión inicial a Ho + ∆H. Debido al incremento de presión, el líquido de la tubería cambia su dirección desplazándose hacia al depósito con una velocidad de onda “a” , modificando las condiciones originales del conducto aguas arriba, expandiendo la pared de la tubería y reduciendo la velocidad del flujo a cero. En el tiempo t = L/a la onda ha llegado al depósito, con lo cual, toda la tubería se encuentra en reposo (v = 0), la presión superior a la inicial y la pared de la tubería deformada.
Segundo periodo: L/a < t ≤ 2L/a (figura 4.b)
Considerando que el depósito es suficientemente grande, el nivel de agua permanece sin variación, manteniendo una carga constante. De esta forma, el depósito actúa como una pantalla que refleja la onda de presión proveniente de la válvula, provocando el cambio de dirección de la onda viajando hacia la válvula donde fue originada.
Debido al cambio de dirección de v = 0 a –v, origina una depresión de Ho + ∆H a Ho, generando que el fluido ubicado en el extremo derecho (v = 0) se devuelva al depósito. En el instante t = 2L/a toda la tubería se encuentra con las condiciones iniciales; salvo, que todo el fluido va en dirección al depósito.
Tercer periodo: 2L/a < t ≤ 3L/a (figura 4.c)
No existiendo ninguna sobrepresión en un punto de la tubería, la presión continúa disminuyendo. La onda ahora se propaga desde la válvula con depresión a velocidad a, ocasionando que el diámetro del conducto disminuya por debajo de su diámetro normal. En el instante t = 3L/a la tubería se encuentra contraída en su totalidad y la velocidad del fluido es nula.
Cuarto periodo: 3L/a < t ≤ 4L/a (figura 4.d)
Nuevamente el depósito actúa como pantalla reflejando la onda con depresión. Debido que la presión en el depósito ahora es superior a la existente en la tubería, provocando que el conducto vuelva a su estado original con una velocidad v en dirección a la válvula. En el tiempo t = 4L/a el diámetro de la tubería es normal, con presión inicia Ho y velocidad vo.
Teóricamente este movimiento se repite cada 4L/a indefinidamente. Los efectos de fricción en el fluido, la elasticidad imperfecta de este y la pared de la tubería despreciada hasta ahora, son los encargados de atenuar las vibraciones y, eventualmente, hacer que el fluido llegue a un reposo permanente (Streeter, V. et al. 1999).
El cálculo de las sobrepresiones depende del tiempo de cierre de la válvula, que puede ser:
• Instantáneo: Cuando la válvula es cerrada en t=0.
• Rápido: Corresponde al cierre de la válvula en el período comprendido entre 0 < t < 2L/a. En este tiempo la onda de presión no tiene tiempo de ir al estanque, reflejarse y volver a la válvula, antes de terminar el medio ciclo.
• Lento: Cierre de la válvula en un tiempo t > 2L/a.
Causas, efectos y dispositivos para controlar el golpe de ariete.
De acuerdo a lo descrito anteriormente, el golpe de ariete es producido por variaciones repentinas en el flujo dentro de una tubería, existiendo diversas ocasiones donde se induce el fenómeno:
•Cierre y apertura de válvulas.
•Arranque y detención de bombas.
•Funcionamiento inestable de bombas.
•Llenado inicial de tuberías.
•Sistemas de protección contra incendios.
•Fallos en los sistemas de regulación de caudal en turbinas.
En sistemas de abastecimiento de agua potable las causas principales que lo generan son por impulsión o por manipulación de válvulas.
Referente a los efectos que puede provocar el fenómeno de golpe de ariete, se han clasificado en función del tipo de instalación, así:
a) Efectos del fenómeno de golpe de ariete en instalaciones de abastecimiento de agua potable:
•Ruido: Es producido por las vibraciones de la tubería, no presentando un problema para el sistema.
•Vibraciones: Son provocadas por las variaciones de presión al momento de ser amortiguadas en el sistema.
•Falla en bombas, válvulas y otros accesorios: Tras ocurrir el golpe de ariete en el sistema, el incremento de presión puede sobrepasar el límite al cual fue diseñado el componente, provocando desperfectos o incluso un daño irreparable.
•Ruptura de tuberías: Uno de los efectos más indeseables que puede presentarse es el colapso de algún tramo de tubería, provocando fugas e interrupciones en el suministro de agua potable.
b) Efectos del fenómeno de golpe de ariete en instalaciones de plantas hidroeléctricas.
Para entender los daños producido por el golpe de ariete en una planta hidroeléctrica se muestra en la figura 5 los elementos constructivos que principalmente la conforman.
Existen varios registros de accidentes importantes causados por este fenómeno. Uno de los más importantes fue el 17 de agosto del año 2009 en la central hidroeléctrica Sayano–Shúshenskaya, Rusia. El accidente fue provocado por un golpe de ariete en una de las turbinas, alcanzando 75 muertos y un desastre ambiental de gran magnitud debido al derrame de aceite en el río Yenisel.
Como se ha descrito anteriormente, el golpe de ariete merece atención, cuando las condiciones de incremento de presión son drásticas y por ende peligrosas. En ocasiones que el golpe de ariete sea producido por manipulación de válvulas, la magnitud de este puede minimizarse mediante el control del tiempo de apertura o cierre de la válvula.
A continuación, se presentan los mecanismos más utilizados para controlar el fenómeno de golpe de ariete en instalaciones hidráulicas:
a) Cámara de aire.
Es una tubería corta, unida verticalmente a la tubería de conducción, llena de aire u otro gas, con una tapa en su extremo (véase figura 6). Estas cámaras, funcionan amortiguando la sobrepresión producida por el golpe de ariete cuando el agua ingresa al conducto lleno de aire y choca contra este, disipando gran parte de la energía de presión que se produce.
Una principal limitación de este tipo de protección es que con el tiempo el agua absorbe el aire hasta anegarlas completamente, quedando inservibles para proteger al sistema.
b) Válvulas de alivio.
Las válvulas de alivio de presión, son dispositivos que pueden absorber variaciones repentinas de presión mediante la expulsión de agua a través de sí mismas, tienen una salida de desfogue ante el exceso de presión; esto se puede observar en la figura 7.
c) Tanques hidroneumáticos.
Este tipo de dispositivos almacenan aire comprimido y su capacidad de protección es proporcional a su volumen. Pueden eliminar por completo las presiones negativas y positivas resultantes de cualquier evento que genere un transitorio hidráulico. Existen tres tipos de tanques hidroneumáticos: con membrana, con compresor o con tubo de inmersión.
d) Ventosas o válvulas de aire.
Estos tipos de dispositivos utilizan la presión atmosférica como fuente de energía, evitando las presiones negativas solo en las inmediaciones de su ubicación mediante la incorporación de aire a la tubería. Sus principales limitaciones son la capacidad de protección, tiempo de respuesta no instantáneo y requieren inspecciones periódicas.
e) Chimeneas de equilibrio.
Una chimenea de equilibrio, también conocida como pozo piezométrico, es un depósito abierto a la atmósfera en su extremo superior conectado perpendicularmente a la tubería de conducción. Las chimeneas de equilibrio están destinadas para obras en donde los caudales y las velocidades de flujo son bastante significativas, como centrales hidroeléctricas. Existen dos tipos de chimeneas: de equilibrio vertical y con cámara de expansión (véase figura 8).
La diferencia entre estos dos tipos de chimeneas es que con la cámara de expansión permite reducir la altura de estas.
Sugerencia: Revisar Modelamiento y Validación en ANSYS CFX
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