Golpe de ariete

GOLPE DE ARIETE
El golpe de ariete es un fenómeno hidráulico que se presenta en las tuberías cuando se tiene un cierre brusco de válvulas, un paro de equipos de bombeo o cualquier cambio de velocidad en el flujo.
Se presenta en todas las líneas de conducción de agua cuando se tiene un paro brusco del fluido contenido en la tubería. La energía cinética que contiene el fluido debido a lavelocidad de conducción, se transforma en energía potencial, que a su vez, dará origen a un incremento de la carga piezométrica original, llevándose a cabo un trabajo elástico de deformación en las paredes del conducto y el agua.
En el diseño de líneas de conducción de agua es muy importante considerar el golpe de ariete con el fin de evitar reventamientos en la tubería que podrían provocar dañospersonales, daños a las instalaciones hidráulicas y por ende, pérdidas económicas.
Explicación del fenómeno
Para explicar el golpe de ariete nos referiremos a la figura 6.4. y 6.5.

Figura 6.4. Línea de conducción
Supongamos un depósito conteniendo una gran cantidad de agua, en el instante del cierre del órgano de control (válvula) aguas abajo del depósito con una longitud “L” (figura 6.5. a), segenera una onda de presión positiva que viaja aguas arriba con una velocidad o celeridad “a”, además se provoca una deformación del conducto debido a la compresión del líquido. Una vez que la onda llega al depósito en un tiempo t = L / a (figura 6.5. b), el depósito funciona como pantalla por lo que la onda regresa hacia el órgano de control aguas abajo como onda de presión negativa por lo que elconducto se contrae a su forma original (figura 6.5. c) en un tiempo t = 2 L / a (figura 6.5. d). Esta fase se conoce como fase directa del golpe de ariete.
Como se puede observar en las figuras, al detenerse el líquido en el órgano de control la velocidad en esta zona se hace V = 0, teniéndose al principio del conducto la velocidad original V = Vo (figura 6.5. a,b), la cual se iguala a cero alllegar la onda de presión al tanque. Al regresar la onda aguas abajo se provoca un movimiento del fluido hacia el depósito con una velocidad V = Vo, hasta que la onda de presión llega al órgano de control (figura 6.5. c,d). Este flujo hacia el depósito origina una caída de carga y una contracción de las paredes del conducto a dimensiones inferiores a las originales (figura 6.5. e) , la onda viajanuevamente aguas arriba llegando al depósito en un tiempo t = 3 L / a (figura 6.5. f), el depósito funciona nuevamente como pantalla reflejando la onda como onda de presión positiva hacia el órgano de control (figura 6.5. g) hasta llegar al final en un tiempo t = 4 L /a (figura 6.5. h) recuperando el conducto su forma original. Esta segunda fase se conoce como fase inversa del golpe de ariete.
||
(a) Condiciones para t+Δt | (e) Condiciones para t = 2 L / a +Δt |
| |
(b) Condiciones para t = L / a | (f) Condiciones para t = 3 L / a |
| |
(c) Condiciones para t = L / a +Δt | (g) Condiciones para t = 3 L / a +Δt |
| |
(d) Condiciones para t = 2 L/ a | (h) Condiciones para t = 4 L / a |
Fig. 6.5. Propagación de la onda de presión en un conducto causado por un cierreinstantáneo del órgano de control (válvula, compuerta)
Si no existiese el efecto de la fricción que transforma la energía en calor, este fenómeno se repetiría indefinidamente, sin embargo, ya que prácticamente todos los conductos son hidráulicamente rugosos, la variación de la carga decrece con el tiempo.

Cálculo del golpe de ariete.
La velocidad de la onda de presión “a”, depende tanto de laspropiedades elásticas del conducto, como las del fluido, para agua quedaría definida como sigue:

Donde:
a = Velocidad de la onda, (m/s)
Ev = Módulo de elasticidad del agua (kg/m2) (2.24 x 108 kg/m2)
Et = Módulo de elasticidad del material (kg/m2) (para PVC, 1.124 x 108 kg/m2)
D = Diámetro interno del conducto (m)
e = Espesor de pared del tubo (m)
Para algunos de los materiales más...