Golpe de ariete y bomba de ariete

Golpe de Ariete

Golpe producido en una tubería al cerrar bruscamente una válvula o grifo. Se lo denomina también pulso de Joukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolay Egorovich Zhukovskiy.

El Golpe de Ariete es el causante principal de las averías en tuberías e instalaciones hidráulicas. Al cerrar bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de agua que quedan detenidas son presionadas por las que vienen avanzando detrás y aún siguen moviéndose. Esto causa una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad un tanto menor que la velocidad del sonido en el agua.

Esta sobrepresión trae como consecuencia dos efectos:

1. Se comprime ligeramente el agua, reduciendo su volumen, y dilatando ligeramente la tubería. Cuando toda el agua que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse.

2. La tubería que se expande ligeramente tiende a retomar su dimensión normal.

Estos dos efectos conjuntos producen otra onda de presión en sentido contrario. El agua se desplaza en dirección contraria pero, como el grifo está cerrado, provoca una depresión en relación a la presión normal de la tubería. Cuando se reduce la presión, el agua puede pasar a su estado gaseoso formando una burbuja, una celda de aire, mientras que la tubería se contrae.

El agua en circulación golpea la válvula o el grifo cerrado y rebota. El rebote continúa hasta que el agua impacta un punto y la energía de la onda de agua se comienza a distribuir más uniformemente en el sistema de tuberías. El punto de impacto, que puede ser la conexión entre dos tuberías o en una junta , genera ese sonido particular de golpe que puede escucharse a veces en los caños.

CAUSAS POR LAS QUE SE PRODUCE

En general el GOLPE de ARIETE es ocasionado por causas imprevistas como son: cierres bruscos de válvulas ante las turbinas, causados por averías en los mecanismos de amortiguamiento; el no funcionas las válvulas en caso de una descarga brusca del grupo; el golpe de una roca contra la tubería, originando una onda que se transmite a lo largo del conducto y puede producir una rotura en algún sitio alejado del punto de impacto; fallas en el suministro de energía que requiere una bomba para su adecuado funcionamiento, que obligan al cierre súbito de la válvula de retención, para evitar el paso del agua hacia la bomba. En fin, cualquier variación de caudal en un sistema hidráulico que obliga al cierre parcial o total de una válvula o de cualquier dispositivo de regulación, provoca perturbaciones de flujo, desencadenando el fenómeno.

La variación en el movimiento del líquido se manifiesta básicamente con modificaciones en las condiciones de presión y velocidad del flujo, repercutiendo en los diferentes elementos que están en contacto con el fluido; generando esfuerzos superiores a los normales (en el flujo permanente). Inicialmente el fluido posee una energía cinética  Ec = ½ m v² . Al disminuir la velocidad se reduce la ecuación, transformándose en energías vibratorias, ondulatorias y en calor. Las dilataciones y contracciones cíclicas de la conducción originan esfuerzos de fatiga en el material del cual está fabricada y provocan los destrozos ya mencionados

EL GOLPE DE ARIETE EN REDES INTERIORES DE ACUEDUCTO

La tubería es rígida no deformable: caso teórico, el Módulo de elasticidad del material (E) tiene un valor infinito.

Al ser detenida súbitamente la vena líquida su energía cinética se convierte en energía de presión sobre el agua y energía elástica de deformación del agua, al quedar fuertemente comprimida contra la válvula cerrada. La tubería no se deforma, dad su rigidez infinita.

La tubería es plástica o deformable: casos reales de la práctica tienen un mayor o menor grado de elasticidad.

La sobre-presión se "desahoga" en sucesivas dilataciones y contracciones del agua y de la tubería, como en un movimiento oscilatorio, hasta desvanecerse totalmente, a lo cual coadyuda también el rozamiento.

PREVENCIÓN O MITIGACIÓN DEL GOLPE DE ARIETE

·        Se tiene como primera medida de precaución, instalar válvulas apropiadas en las líneas de conducción y controlar su tiempo de cierre. En algunos casos se construyen válvulas interruptoras especiales, provistas de un resorte que opera contra la presión del agua, de manera que inmediatamente la velocidad empieza a disminuir como resultado de la detención de la bomba, la válvula comienza a cerrarse, lográndose el cierre completo antes del regreso de la columna líquida.

v  Cerrar lentamente la válvula de impulsión.

v  Escoger el diámetro de la tubería de impulsión grande para que la velocidad sea pequeña.

v  Instalar la bomba con un volante, que en el caso de corte de la corriente reduzca lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad del agua en la tubería.

v  Usar una cámara o colchón de aire. Esto ha dado resultados satisfactorios, pero su costo inicial y la dificultad de mantener el nivel deseado del agua, le hacen perder importancia.

v  Utilizar almedanas. Su uso se restringe a instalaciones de pequeña cabeza y no son generalmente económicas.

v  Aumentar el momento de inercia de los elementos que rotan en la bomba y el motor es útil, debido a que aumenta el intervalo de tiempo disponible para el ajuste de la válvula.

v  Utilizar un "by-pass" a través de la válvula de seguridad.

BOMBA DE ARIETE

La bomba de ariete o ariete hidráulico, es una máquina que aprovecha únicamente la energía de un pequeño salto de agua para elevar parte de su caudal a una altura superior; es utilizada en sectores rurales donde los escasos recursos económicos de los pobladores hacen difícil el acceso a los sistemas de bombeo convencionales, debido al alto costo de funcionamiento de los mismos. El principio de funcionamiento es simple, un flujo de agua atraviesa el cuerpo del mecanismo con una energía cinética suficiente para cerrar una válvula abruptamente, provocando un violento golpe; este golpe produce una sobre presión capaz de elevar una cierta cantidad de agua a una altura considerable, si bien es cierto estos sistemas de bombeo poseen muchas ventajas (son económicos, sostenibles, de fácil diseño e instalación, requieren un mantenimiento mínimo y funcionan las 24 horas del día los 365 días del año), aun así no son muy eficientes, es decir, la cantidad de agua que bombea es poca, en relación a la cantidad de agua que se pierde.

En este trabajo se ha optimizado el diseño de una bomba de ariete utilizando dos válvulas de derrame en lugar de una sola, logrando así aumentar considerablemente la altura de elevación del agua y el caudal bombeado, disminuyendo drásticamente la cantidad de agua en pérdida (nótese que al aumentar la cantidad de válvulas, el derrame tendería a aumentar, pero ocurre lo contrario) consiguiendo así un importante incremento en el rendimiento de la bomba

Funcionamiento

El funcionamiento del dispositivo es bastante simple:

• El agua se acelera a lo largo del conducto hasta alcanzar una determinada velocidad que hace que se cierre la válvula A;
• entonces se crea una fuerte presión ejercida por el agua que se encuentra en movimiento y es detenida de golpe;
• así permite la apertura de la válvula B y pasa agua al depósito hasta que se equilibran las presiones;
• Se abre la válvula A y el ciclo se repite una y otra vez.

El agua pasa a golpes de ariete al depósito, pero sale de este con continuidad ya que el ariete funciona de uno a dos ciclos por segundo.

La cámara de aire del depósito es fundamental para su funcionamiento. Para asegurar la permanencia de esta cámara de aire se usa el inclusor de aire que incorpora una pocas burbujas en cada ciclo.

Inclusor de aire

El inclusor de aire es un pequeño orificio de 1,5 a 2 mm de diámetro, con un alambre de cobre que pasa por él con cierta holgura, para permitirle a la cámara de aire tomar alguna burbuja en cada golpe de ariete y mantener la presión en la cámara de aire.

Por supuesto, también saldrá una pequeña cantidad de agua en cada golpe de ariete. Pero si no hay cámara de aire que actúe como amortiguadora del golpe de ariete, este mismo rompería el dispositivo y dejaría de funcionar.