Golpe de ariete

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Oleaje de presión cuando un líquido se ve obligado a parar o cambiar de dirección de repente

Efecto de un aumento de presión en un medidor de flotación

Choque hidráulico (coloquial: golpe de ariete; golpe de fluido) es un aumento u onda de presión causado cuando un fluido en movimiento, generalmente un un líquido, pero a veces también un gas, se ve obligado a detenerse o cambiar de dirección repentinamente; un cambio de impulso. Este fenómeno ocurre comúnmente cuando una válvula se cierra repentinamente en un extremo de un sistema de tuberías y una onda de presión se propaga en la tubería.

Esta onda de presión puede causar problemas importantes, desde ruido y vibración hasta rotura o colapso de tuberías. Es posible reducir los efectos de los pulsos de golpe de ariete con acumuladores, tanques de expansión, tanques de compensación, válvulas de purga y otras características. Los efectos se pueden evitar asegurándose de que ninguna válvula se cierre demasiado rápido con un flujo significativo, pero hay muchas situaciones que pueden causar el efecto.

Se pueden hacer cálculos aproximados utilizando la ecuación de Zhukovsky (Joukowsky), o más precisos utilizando el método de las características.

Historia

En el siglo I a.C., Marco Vitruvio Polión describió el efecto del golpe de ariete en las tuberías de plomo y de piedra del suministro público de agua romano. El golpe de ariete se explotó antes de que existiera una palabra para describirlo.

La Alhambra, construida por el sultán nazarí Ibn al-Ahmar de Granada a partir del año 1238 d.C., utilizaba un hidram para elevar el agua. A través de un primer embalse, lleno por un canal del río Darro, el agua se vaciaba a través de un gran canal vertical hacia un segundo embalse situado debajo, creando un remolino que a su vez impulsaba el agua a través de una tubería mucho más pequeña hasta seis metros mientras la mayor parte del agua drenaba hacia un segundo, tubería un poco más grande.

En 1772, el inglés John Whitehurst construyó un ariete hidráulico para una casa en Cheshire, Inglaterra. En 1796, el inventor francés Joseph Michel Montgolfier (1740-1810) construyó un ariete hidráulico para su fábrica de papel en Voiron. En francés e italiano, los términos para "golpe de ariete" provienen del ariete hidráulico: coup de bélier (francés) y colpo d'ariete (italiano) ambos significan "golpe del ariete". Cuando el siglo XIX fue testigo de la instalación de sistemas de suministro de agua municipales, el golpe de ariete se convirtió en una preocupación para los ingenieros civiles. El golpe de ariete también interesó a los fisiólogos que estudiaban el sistema circulatorio.

Aunque fue prefigurado en el trabajo de Thomas Young, generalmente se considera que la teoría del golpe de ariete comenzó en 1883 con el trabajo del fisiólogo alemán Johannes von Kries (1853-1928), que investigaba el pulso en los vasos sanguíneos. Sin embargo, sus hallazgos pasaron desapercibidos para los ingenieros civiles. Los hallazgos de Kries fueron obtenidos posteriormente de forma independiente en 1898 por el dinámico de fluidos ruso Nikolay Yegorovich Zhukovsky (1847-1921), en 1898 por el ingeniero civil estadounidense Joseph Palmer Frizell (1832-1910) y en 1902 por el ingeniero italiano Lorenzo. Allievi (1856-1941).

Causa y efecto

El agua que fluye a través de una tubería tiene impulso. Si el agua en movimiento se detiene repentinamente, por ejemplo cerrando una válvula aguas abajo del agua que fluye, la presión puede aumentar repentinamente y provocar una onda de choque. En la fontanería doméstica, esta onda de choque se experimenta como un fuerte golpe que se asemeja a un martilleo. El golpe de ariete puede provocar la rotura de las tuberías si la presión es suficientemente alta. A veces se agregan trampas de aire o tuberías verticales (abiertas en la parte superior) como amortiguadores a los sistemas de agua para absorber las fuerzas potencialmente dañinas causadas por el agua en movimiento.

Por ejemplo, el agua que viaja a lo largo de un túnel o tubería hasta una turbina en una estación generadora hidroeléctrica puede disminuir repentinamente si una válvula en el camino se cierra demasiado rápido. Si hay 14 km (8,7 millas) de túnel de 7,7 m (25 pies) de diámetro llenos de agua que viaja a 3,75 m/s (8,4 mph), eso representa aproximadamente 8000 megajulios (2200 kWh) de energía cinética. Esta energía se puede disipar mediante un pozo de compensación vertical abierto en la parte superior por el que fluye el agua. A medida que el agua sube por el pozo, su energía cinética se convierte en energía potencial, evitando altas presiones repentinas. En algunas centrales hidroeléctricas, como la central hidroeléctrica de Saxon Falls en Michigan, lo que parece una torre de agua es en realidad un tambor de compensación.

En los sistemas de plomería residenciales, el golpe de ariete puede ocurrir cuando un lavavajillas, una lavadora o un inodoro cortan repentinamente el flujo de agua. El resultado puede escucharse como un fuerte golpe, golpes repetitivos (mientras la onda de choque viaja hacia adelante y hacia atrás en el sistema de plomería) o como un escalofrío.

Otras posibles causas del golpe de ariete:

Una bomba parada
Una válvula de control que cierra rápidamente (es decir, "control de válvula") debido al flujo en una dirección de inversión de tuberías en la pérdida de potencia de móvil, como una parada de bomba. Las válvulas de control "No-slam" se pueden utilizar para reducir el aumento de presión.
Llenar una tubería vacía que tiene una restricción como una válvula parcialmente abierta o un orificio que permite que el aire pase fácilmente a medida que la tubería se llena rápidamente, pero con la presión aumentando una vez llena el agua encuentra la restricción.

Fenómenos relacionados

golpe de vapor puede ocurrir en sistemas de vapor cuando parte del vapor se condensa en agua en una sección horizontal de la tubería. El vapor que empuja el agua líquida a lo largo de la tubería forma una "babosa" en el interior. que impacta una válvula de tubería, creando un fuerte ruido de martilleo y alta presión. El vacío causado por la condensación del choque térmico también puede provocar un golpe de vapor.

El golpe de vapor se puede minimizar usando tuberías inclinadas e instalando trampas de vapor.

En los motores de combustión interna turboalimentados, un "martillo de gas" Esto puede ocurrir cuando se cierra el acelerador mientras el turbocompresor fuerza la entrada de aire al motor. No hay onda de choque, pero la presión aún puede aumentar rápidamente a niveles dañinos o provocar una sobretensión en el compresor. Una válvula de alivio de presión colocada antes del acelerador evita que el aire fluya contra el cuerpo del acelerador desviándolo a otra parte, protegiendo así el turbocompresor de daños por presión. Esta válvula puede recircular el aire hacia la admisión del turbocompresor (válvula de recirculación) o puede expulsar el aire a la atmósfera y producir el silbido distintivo de un turbocompresor no original (válvula de purga).

Medidas de mitigación

Los golpes de ariete han causado accidentes y muertes, pero normalmente los daños se limitan a la rotura de tuberías o apéndices. Un ingeniero siempre debe evaluar el riesgo de rotura de una tubería. Las tuberías que transportan líquidos o gases peligrosos requieren un cuidado especial en su diseño, construcción y operación. Especialmente las centrales hidroeléctricas deben diseñarse y mantenerse cuidadosamente porque el golpe de ariete puede causar fallas catastróficas en las tuberías de agua.

Las siguientes características pueden reducir o eliminar el golpe de ariete:

Reducir la presión del suministro de agua al edificio mediante el ajuste de un regulador.
Velocidades de fluido inferior. Para mantener bajo el martillo de agua, las tablas de tamaño de tuberías para algunas aplicaciones recomiendan velocidad de flujo a o debajo de 1,5 m/s (4.9 pies/s).
Fitar válvulas de cierre lentamente. Las válvulas de relleno de inodoro están disponibles en un tipo de relleno silencioso que cierra silenciosamente.
Las válvulas de control no slam no confían en el flujo de fluidos para cerrar y lo harán antes de que el flujo de agua alcance velocidad significativa.
Alta presión de oleoducto (no reduce el efecto pero protege contra el daño).
Buen control de tuberías (procesos de arranque y cierre).
Las torres de agua (utilizadas en muchos sistemas de agua potable) o los tanques de agua ayudan a mantener tasas de flujo constantes y a atrapar fluctuaciones de gran presión.
Los buques de aire como los tanques de expansión y algunos tipos de acumuladores hidráulicos trabajan de la misma manera que las torres de agua, pero son presurizados. Normalmente tienen un cojín de aire por encima del nivel de fluido en el recipiente, que puede ser regulado o separado por una vejiga. Las dimensiones de los vasos aéreos pueden ser hasta cientos de metros cúbicos en grandes oleoductos. Vienen en muchas formas, tamaños y configuraciones. Estos buques a menudo se denominan acumuladores o tanques de expansión.
Un dispositivo hidropneumático similar en principio a un amortiguador llamado "Water Hammer Arrestor" se puede instalar entre la tubería de agua y la máquina, para absorber el choque y detener el golpe.
Las válvulas de aire a menudo remedian bajas presiones en puntos altos en el gasoducto. Aunque es necesario instalar un gran número de válvulas de aire. Estas válvulas también permiten el aire en el sistema, que a menudo es indeseado. Las válvulas de desagüe pueden utilizarse como alternativa.
Longitudes de tubería de rama más cortas.
Longitudes más cortas de tubo recto, es decir, añadir codos, lazos de expansión. El martillo de agua está relacionado con la velocidad del sonido en el fluido, y los codos reducen las influencias de las ondas de presión.
Arreglando la tubería más grande en bucles que suministran ramas de tubería más cortas. Con pipa lazada, baja velocidad fluye de ambos lados de un lazo puede servir una rama.
Flywheel en una bomba.
La estación de bombeo pasa por alto.

Magnitud del pulso

Uno de los primeros en investigar con éxito el problema del golpe de ariete fue el ingeniero italiano Lorenzo Allievi.

El golpe de ariete se puede analizar mediante dos enfoques diferentes: la teoría de la columna rígida, que ignora la compresibilidad del fluido y la elasticidad de las paredes de la tubería, o mediante un análisis completo que incluye la elasticidad. Cuando el tiempo que tarda una válvula en cerrarse es largo en comparación con el tiempo de propagación que tarda una onda de presión en recorrer la longitud de la tubería, entonces la teoría de la columna rígida es apropiada; de lo contrario, puede ser necesario considerar la elasticidad. A continuación se muestran dos aproximaciones para la presión máxima, una que considera la elasticidad, pero supone que la válvula se cierra instantáneamente, y una segunda que desprecia la elasticidad pero incluye un tiempo finito para que la válvula se cierre.

Cierre instantáneo de la válvula; fluido compresible

El perfil de presión del pulso de golpe de ariete se puede calcular a partir de la ecuación de Joukowsky

{displaystyle {frac {partial P}{partial t}}=rho a{frac {partial v}{partial t}}.}

Entonces, para una válvula que se cierra instantáneamente, la magnitud máxima del pulso de golpe de ariete es

{displaystyle Delta P=rho a_{0}Delta v,}

donde ΔP es la magnitud de la onda de presión (Pa), ρ es la densidad del fluido (kg/m³), a₀ es la velocidad del sonido en el fluido (m/s) y Δv es el cambio en el fluido's velocidad (m/s). El pulso se produce debido a las leyes del movimiento de Newton y a la ecuación de continuidad aplicada a la desaceleración de un elemento fluido.

Ecuación para la velocidad de onda

Como la velocidad del sonido en un líquido es ${displaystyle a={sqrt {frac {B}{rho }}}}$ , la presión pico depende de la compresión del fluido si la válvula está cerrada abruptamente.

{displaystyle B={frac {K}{(1+{frac {V}{a}})(1+c{frac {KD}{Et}})}},}

dónde

a = velocidad de onda,

B = modulo vracs equivalente de elasticidad del fluido del sistema – tubería,

*** = densidad del fluido,

K = módulo de elasticidad del líquido,

E = módulo elástico de la tubería,

D = diámetro interno de la tubería

t = espesor de la pared del tubo,

c = parámetro sin dimensión debido a sistema de tuberías-constructoras a velocidad de onda.

Cierre lento de la válvula; fluido incompresible

Cuando la válvula se cierra lentamente en comparación con el tiempo de tránsito de una onda de presión para recorrer la longitud de la tubería, la elasticidad se puede despreciar y el fenómeno se puede describir en términos de inertancia o teoría de columna rígida:

F = m a = P A = rho L A {dv over dt}.

Suponiendo una desaceleración constante de la columna de agua (dv/dt = v/t), esto da

{displaystyle P=rho Lv/t.}

donde:

F = fuerza [N],

m = masa de la columna de fluido [kg],

a = aceleración [m/s²]

P = presión [Pa],

A = sección transversal del tubo [m]²]

*** = densidad de líquido [kg/m³]

L = longitud de la tubería [m],

v = velocidad de flujo [m/s],

t = tiempo de cierre de válvula [s].

La fórmula anterior se convierte, para agua y con unidad imperial,

{displaystyle P=0.0135,VL/t.}

Para aplicaciones prácticas, se recomienda un factor de seguridad de aproximadamente 5:

{displaystyle P=0.07,VL/t+P_{1},}

donde P₁ es la presión de entrada en psi, V es la velocidad del flujo en pies/s, t es el tiempo de cierre de la válvula en segundos y L es la longitud de la tubería aguas arriba en pies.

Por lo tanto, podemos decir que la magnitud del golpe de ariete depende en gran medida del tiempo de cierre, los componentes elásticos de la tubería y las partes del cuerpo. propiedades del fluido.

Did you mean:

Expression for the excess pressure due to water hummer

Cuando se cierra una válvula con un caudal volumétrico Q, se crea una sobrepresión ΔP aguas arriba de la válvula, cuyo valor viene dado por la ecuación de Joukowsky:

{displaystyle Delta P=ZQ.}

En esta expresión:

ΔP es la sobrepresión en Pa;

Q es el flujo volumétrico en m³/s;

Z es la impedancia hidráulica, expresada en kg/m⁴/s.

La impedancia hidráulica Z de la tubería determina la magnitud del golpe de ariete. Él mismo está definido por

{displaystyle Z={frac {sqrt {rho B}}{A}},}

dónde

*** la densidad del líquido, expresada en kg/m³;

A zona transversal de la tubería, m²;

B modulo equivalente de compresibilidad del líquido en la tubería, expresado en Pa.

Esto último se desprende de una serie de conceptos hidráulicos:

compresibilidad del líquido, definida por su módulo de compresión adiabática B_l, resultante de la ecuación del estado del líquido generalmente disponible de las tablas termodinámicas;
la elasticidad de las paredes de la tubería, que define un módulo de vracs equivalente de compresión para el sólido B_s. En el caso de una tubería de sección circular cuyo espesor t es pequeño en comparación con el diámetro D, el módulo equivalente de compresibilidad se da por la fórmula ${displaystyle B={frac {t}{D}}E}$ , en que E es el módulo de Young (en Pa) del material de la tubería;
Posiblemente compresibilidad B_g de gas disuelto en el líquido, definido por ${displaystyle B_{text{g}}={frac {gamma }{alpha }}P,}$
γ siendo la relación de calor específica del gas,
α la tasa de ventilación (la fracción de volumen de gas sin resolver),
y P la presión (en Pa).

Así, la elasticidad equivalente es la suma de las elasticidades originales:

{displaystyle {frac {1}{B}}={frac {1}{B_{text{l}}}}+{frac {1}{B_{text{s}}}}+{frac {1}{B_{text{g}}}}.}

Como resultado, vemos que podemos reducir el golpe de ariete mediante:

aumentar el diámetro de la tubería a flujo constante, lo que reduce la velocidad de flujo y por lo tanto la desaceleración de la columna líquida;
emplear el material sólido lo más ajustado posible con respecto al vracs de fluido interno (modulo sólido joven bajo con respecto al módulo de vracs líquidos);
introduciendo un dispositivo que aumenta la flexibilidad de todo el sistema hidráulico, como un acumulador hidráulico;
donde sea posible, aumentando la fracción de gases no disueltos en el líquido.

Ecuaciones dinámicas

El efecto del golpe de ariete se puede simular resolviendo las siguientes ecuaciones diferenciales parciales.

{displaystyle {frac {partial V}{partial x}}+{frac {1}{B}}{frac {dP}{dt}}=0,}

{displaystyle {frac {dV}{dt}}+{frac {1}{rho }}{frac {partial P}{partial x}}+{frac {f}{2D}}V|V|=0,}

Donde V es la velocidad del fluido dentro de la tubería, $rho$ es la densidad del fluido, B es equivalente módulo de vracs, y f es el factor de fricción Darcy-Weisbach.

Separación de columnas

La separación de columnas es un fenómeno que puede ocurrir durante un golpe de ariete. Si la presión en una tubería cae por debajo de la presión de vapor del líquido, se producirá cavitación (parte del líquido se vaporiza, formando una burbuja en la tubería, manteniendo la presión cercana a la presión de vapor). Es más probable que esto ocurra en lugares específicos, como extremos cerrados, puntos altos o codos (cambios en la pendiente de la tubería). Cuando el líquido subenfriado fluye hacia el espacio previamente ocupado por el vapor, el área de contacto entre el vapor y el líquido aumenta. Esto hace que el vapor se condense en el líquido, reduciendo la presión en el espacio de vapor. El líquido a ambos lados del espacio de vapor es acelerado hacia este espacio por la diferencia de presión. La colisión de las dos columnas de líquido (o de una columna de líquido si está en un extremo cerrado) provoca un aumento de presión grande y casi instantáneo. Este aumento de presión puede dañar la maquinaria hidráulica, las tuberías individuales y las estructuras de soporte. Pueden ocurrir muchas repeticiones de formación y colapso de cavidades en un solo evento de golpe de ariete.

Software de simulación

La mayoría de los paquetes de software de golpe de ariete utilizan el método de las características para resolver las ecuaciones diferenciales involucradas. Este método funciona bien si la velocidad de la onda no varía en el tiempo debido al arrastre de aire o gas en una tubería. El método de ondas (WM) también se utiliza en varios paquetes de software. WM permite a los operadores analizar redes grandes de manera eficiente. Hay muchos paquetes comerciales y no comerciales disponibles.

Los paquetes de software varían en complejidad, dependiendo de los procesos modelados. Los paquetes más sofisticados pueden tener cualquiera de las siguientes características:

Capacidades de flujo multifase.
Un algoritmo para el crecimiento de la cavitación y el colapso.
Fracción inestable: las ondas de presión se amortiguan como turbulencia se genera y debido a variaciones en la distribución de velocidad de flujo.
Modulo voluminoso para mayores presiones (el agua se vuelve menos compresible).
Interacción de la estructura fluida: el oleoducto reacciona sobre las diferentes presiones y provoca ondas de presión en sí.

Aplicaciones

El principio del martillo de agua se puede utilizar para crear una bomba de agua simple llamada un ramo hidráulico.
A veces se pueden detectar plomos usando martillo de agua.
Los bolsillos cerrados de aire se pueden detectar en tuberías.
El martillo de agua de un chorro líquido creado por una microcavidad de colapso se estudia para aplicaciones potenciales no invasivas de suministro de drogas transdérmicas.

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