flujo transitorio
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IntroducciónFlujo Transitorio o no permanente
Los flujos internos en ductos en general se encuentran
en la mayoría de las aplicaciones, desde el suministro de
agua potable hasta el transporte de líquidos industriales.
Estos flujos pueden ser continuos o no continuos,
uniformes o no uniformes. El fluido puede ser
incompresible o compresible, y el material del que están
hechas las tuberías puede ser elástico, inelástico, o tal
vez viscoelástico.
IntroducciónFlujo Transitorio o no permanente
Los transitorios tienen lugar cuando se ponen en
funcionamiento o paran las bombas de una instalación,
al abrir y cerrar válvulas, en los procesos de llenado y
vaciado de tuberías, es decir, siempre que se produce
una variación brusca en la velocidad del fluido.
IntroducciónGolpe de ariete
La palabra Ariete, designa una máquina militar, utilizado
para derribar puertas por medio de golpes reiterados. Por
analogía se denomina golpe de ariete al fenómeno que se
presenta en las redes de acueductos, en particular si se
cierra rápidamente una válvula produciendo un ruido
característico como un "latigazo" que resuena, hasta
apagarse del todo.
IntroducciónGolpe de ariete
El golpe de ariete también se da en caso de cierre
gradual de una válvula aunque en menor intensidad.
también hay un golpe de ariete "al revés" (gran depresión
cuando repentinamente se abre una válvula).
Audio de un Golpe de Ariete:
http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-waterhammer.html
Introducción Golpe de ariete
IntroducciónTeoría de la columna rígida
Esta teoría asume que las paredes de la tubería son
rígidas, y que la columna de agua es incompresible. Es
decir, considera al agua y a la tubería indeformables.
Para el caso de tuberías del mismo diámetro, al
considerar la elasticidad de la tubería y del fluido nula,
cualquier cambio de velocidad que sufra ocurre
instantáneamente en cualquier lugar de la tubería y al
mismo tiempo.
IntroducciónTeoría de la columna rígida
Esta teoría está basada en las siguientes hipótesis simplificadoras:
El conducto permanece lleno de agua todo el tiempo y la presión mínima en cualquier sección de este siempre es mayor a la presión de vaporización del agua.
Las pérdidas de carga por fricción y la carga de velocidad son despreciables en comparación con los cambios de presión en el conducto.
Las distribuciones de velocidad y presión en cualquier sección del conducto son uniformes.
El nivel del depósito permanece constante durante el tiempo que dura el fenómeno.
La carga piezométrica varía linealmente con respecto a la coordenada curvilínea x.
IntroducciónTeoría de la columna rígida
Esta teoría está basada en las siguientes hipótesis simplificadoras:
El conducto permanece lleno de agua todo el tiempo y la presión mínima en cualquier sección de este siempre es mayor a la presión de vaporización del agua.
Las pérdidas de carga por fricción y la carga de velocidad son despreciables en comparación con los cambios de presión en el conducto.
Las distribuciones de velocidad y presión en cualquier sección del conducto son uniformes.
El nivel del depósito permanece constante durante el tiempo que dura el fenómeno.
La carga piezométrica varía linealmente con respecto a la coordenada curvilínea x.
IntroducciónTeoría de la columna elástica
La teoría de la columna elástica toma en cuenta
aspectos más generales que la teoría de la columna
rígida. Considera a la tubería elástica y al agua
compresible.
Las principales diferencias están en que aquí si se
toma en cuenta la fricción, la compresibilidad del
líquido, y la deformación de las paredes de la tubería.
Teoría de la columna elástica
Esta teoría se acerca más al comportamiento
real del fenómeno y ha sido comprobada en
laboratorio. Las ecuaciones de continuidad y
dinámica en este caso están sujetas a las
siguientes hipótesis simplificadoras:
El conducto permanece lleno de agua todo el
tiempo y la presión mínima en cualquier
sección siempre es mayor que la de
vaporización del fluido.
Teoría de la columna elástica
Las distribuciones de velocidad y presión en
cualquier sección del conducto son uniformes.
Las ecuaciones para el cálculo de pérdidas de
carga cuando el flujo es permanente, también
son válidas cuando éste es transitorio.
Teoría de la columna elástica
La pared del conducto y el fluido se
comportan de una manera elástica lineal y
tienen pequeñas deformaciones.
El incremento de la presión con respecto a la
coordenada curvilínea “x” resulta pequeño
comparado con el incremento de la misma
con respecto al tiempo.
El incremento de la carga de velocidad y la
densidad del fluido resulta pequeño
comparado con el de la carga piezométrica.
Índice
Flujo transitorio en tuberías
Tipos de Transitorios
Descripción del fenómeno
Glosario
Cuestionario
Experiencias
Bibliografía
Flujo transitorio
Flujo Transitorio es aquel que se presenta cuando
cesa repentinamente el flujo o cuando en forma
abrupta se inicia el flujo en un conducto cerrado,
dando origen a lo que comúnmente se conoce como
golpe de ariete.
Un flujo es transitorio cuando sus características
hidráulicas, presión (p), velocidad (v) y caudal (q),
dependen del espacio y del tiempo.
Tipos de transitorios
La naturaleza de los transitorios viene
definida por la rapidez e intensidad con la
que se producen las causas que los provocan.
Los transitorios se pueden dividir en Suaves y
Bruscos:
Tipos de transitorios
Transitorios suaves: suelen estar
producidos por variaciones lentas de las
condiciones de funcionamiento tales como
la variación de los consumos o de las
alturas de los depósitos de la instalación o
por aperturas o cierres lentos de las
válvulas. En estos transitorios se
consideran el fluido incompresible y las
tuberías rígidas.
Tipos de transitorios
Transitorios bruscos: también denominados
Golpes de Ariete, están producidos por
variaciones muy rápidas de las condiciones
de funcionamiento de la instalación. Un
ejemplo es el transitorio producido por la
desaceleración del fluido consecuencia del
cierre rápido de una válvula.
Descripción del fenómeno
Aducción por gravedad desde un
depósito de altura constante.
El proceso que acontece en la conducción
inmediatamente después de cerrarse la
válvula se caracteriza por una
transformación alternativa cíclica de la
energía cinética del fluido en energía
elástica que almacenarán tanto el fluido
como las paredes de la propia tubería en
forma de presión.
Transitorio en tuberías
La descripción física del transitorio originado
por la válvula se entiende en cuatro fases
claramente diferenciadas. Dichas fases del
transitorio se caracterizan por un
permanente intercambio de energía cinética
y energía elástica.
Transitorio en tuberías
Para la descripción física del fenómeno se
despreciarán efectos tales como la fricción
de la conducción. Esto supone, de hecho,
admitir que las oscilaciones de presión que
se originan tras el cierre de la válvula no
sufren amortiguamiento alguno.
Transitorio en tuberías
Con esta consideración, y despreciando la �altura cinética del fluido V0²/(2g) se obtiene
que la altura piezométrica en el instante
inicial, antes de cerrarse la válvula, es una
línea horizontal trazada desde el nivel de
agua en el depósito.
Primera fase del transitorio
Cuando se produce el cierre de la válvula
la sección de fluido inmediatamente aguas
arriba de la válvula se detiene
súbitamente, convirtiendo su energía
cinética (debida a la velocidad V0 que
tenía) en energía de presión (aparece una
sobrepresión de valor ΔH sobre el valor de
la piezométrica de régimen)..
Primera fase del transitorio
Mientras tanto el depósito no ha detectado todavía la
detención del fluido en el extremo aguas abajo de la
conducción, por lo que continua aportando fluido al
sistema. En estas condiciones, pues, viaja una onda
sobrepresiva hacia el depósito que además va
deteniendo el fluido. Si tal perturbación se propaga con
una velocidad de valor a, al cabo de un tiempo L/a
(siendo L la longitud del conducto) toda la tubería se
encuentra bajo los efectos de la sobrepresión de valor
ΔH y con el fluido en reposo.
La energía cinética del fluido se ha transformado en un
gradiente de presiones.
Primera fase
Al finalizar la primera fase del transitorio se
encuentra una situación claramente inestable: la
presión constante en el interior del depósito es
inferior a la de la tubería, sometida a los efectos
de la sobrepresión derivada de la detención del
fluido.
Segunda fase del transitorio
Lo que se produce en este momento es un nuevo
intercambio entre energía elástica almacenada en
forma de presión y energía cinética. En ausencia de
pérdidas energéticas, este intercambio origina la
aparición de una velocidad –V0 a cambio de una
reducción de la presión de valor ΔH. En estas
condiciones se dispone del fluido circulando a la
velocidad de régimen, si bien en dirección contraria, y
la presión igual a la que se tenía antes de comenzar el
transitorio.
Segunda fase del transitorio
Esta fase, además, comienza en el depósito y
progresivamente va extendiéndose hacia la válvula al
resto de la conducción. Se trata en definitiva del
progreso de una onda de presión negativa que origina
una reducción de la presión a cambio de un aumento
de la velocidad de circulación del fluido hacia el
depósito.
El estado final de la misma, al cabo de 2L/a segundos
de iniciarse el transitorio, es un nivel de presiones igual
al estado inicial, si bien con un sentido de circulación
del fluido inverso al inicial.
Segunda fase
El sistema tiende a restablecer el equilibrio mediante el inicio de un retroceso del fluido hacia el depósito.
Tercera fase del transitorio
El inicio de la tercera fase es una consecuencia de la
situación inestable del final de la segunda fase: la falta
de aporte de fluido que se experimenta cuando la
conducción tiene una velocidad -V0 y la situación
cerrada de la válvula. En estas condiciones, el sistema
responde intentando compensar la falta de aporte de
fluido con la generación de una depresión aguas arriba
de la válvula que provoca la detención del fluido. Es
decir se vuelve a producir un intercambio entre energía
cinética del fluido y energía elástica en forma de
presión.
Tercera fase del transitorio
De nuevo, en ausencia de pérdidas, la anulación
completa de la velocidad en las proximidades de la
válvula se consigue a cambio de una reducción del
nivel de presiones en la misma de valor ΔH. Esta
situación no se mantiene únicamente en las
proximidades de la válvula, sino que se extiende hacia
el resto de la conducción hacia el depósito. Se trata de
nuevo de una onda depresiva que reduce el valor de la
presión a su paso a cambio de anular de nuevo la
velocidad en la conducción. Al cabo de 3L/a segundos
esta onda llega al depósito, concluyéndose así los
efectos de la tercera fase del transitorio.
Tercera fase
El inicio de la tercera fase es una consecuencia de la situación inestable del final de la segunda fase.
Cuarta fase del transitorio
Se trata de una situación en la que existe un gradiente
de presiones entre la tubería y el depósito: el nivel de
presiones en el depósito es superior al nivel de
presiones en la conducción. Este desequilibrio se
corrige compensándose éste en presión y aumentando
en consecuencia la velocidad en la conducción. Es
decir, se produce un nuevo intercambio energético
entre energía elástica y energía cinética: la presión, en
ausencia de pérdidas aumenta en ΔH y por el contrario
la velocidad adquiere su valor inicial V0 circulando
desde el depósito hacia la válvula.
Cuarta fase del transitorio
Este fenómeno hace que aparezca una onda de presión
positiva que viaja desde el depósito hacia la válvula
que a su paso va acelerando el fluido y al mismo
tiempo recuperando la depresión ΔH que tenía la
conducción respecto del depósito. Al cabo de 4L/a
segundos de iniciarse el transitorio esta cuarta onda de
presión, característica de la cuarta fase del transitorio,
llega a la válvula, encontrándose en la situación inicial
del comienzo de la primera fase.
Cuarta fase
La cuarta y última fase del primer ciclo del transitorio la origina la situación energéticamente desequilibrada en las proximidades del depósito originada por la onda de
presión característica de la tercera fase.
Cuarta faseGolpe de ariete / transitorio La última de estas secuencias (final de la cuarta
fase) coincide con la primera de todas (inicio de la primera fase). Así, de nuevo comienza el proceso que se repetiría cíclicamente en ausencia de pérdidas.
La presencia de las pérdidas hace que estos ciclos no se repitan indefinidamente, sino que progresivamente vayan amortiguándose hasta alcanzar el valor final de régimen permanente.
Casos en los que se puede producir el fenómeno
Existen diversas maniobras donde se induce el fenómeno:
• Cierre y Apertura de Válvulas.
• Arranque de Bombas.
• Detención de Bombas.
• Funcionamiento inestable de bombas.
• Llenado inicial de tuberías.
• Sistemas de Protección contra Incendios.
Casos en los que se puede producir el fenómeno
En general, el fenómeno aparecerá cuando, por cualquier
causa, en una tubería se produzcan variaciones de
velocidad y, por consiguiente, en la presión.
Como puede observarse del listado anterior todos estos
fenómenos se producen en maniobras necesarias para el
adecuado manejo y operación del recurso, por lo que
debemos tener presente que su frecuencia es importante
y no un fenómeno eventual.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Volante de inercia Consiste en incorporar a la parte rotatoria del grupo de impulsión un volante cuya inercia retarde la pérdida de revoluciones del motor, y en consecuencia, aumente el tiempo de parada de la bomba, con la consiguiente minoración de las sobrepresiones.
Este sistema crea una serie de problemas mecánicos, mayores cuanto mayor sea el peso del volante.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Chimeneas de equilibrio Consiste en una tubería de diámetro superior al de la tubería, colocada verticalmente y abierta en su extremo superior a la atmósfera, de tal forma que su altura sea siempre superior a la presión de la tubería en el punto donde se instala en régimen permanente. Este dispositivo facilita la oscilación de la masa de agua, eliminando la sobrepresión de parada, por lo que sería el mejor sistema de protección si no fuera pos aspectos constructivos y económicos. Sólo es aplicable en instalaciones de poca altura de elevación.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Calderín Consiste en un recipiente metálico parcialmente lleno de aire que se encuentra comprimido a la presión manométrica. Existen modelos en donde el aire se encuentra aislado del fluido mediante una vejiga, con lo que se evita su disolución en el agua.
El calderín amortigua las variaciones de presión debido a la expansión prácticamente adiabática del aire al producirse una depresión en la tubería, y posteriormente a la compresión, al producirse una sobrepresión en el ciclo de parada y puesta en marcha de una bomba.
Su colocación se realiza aguas debajo de la válvula de retención de la bomba. Se instala en derivación y con una válvula de cierre para permitir su aislamiento.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de alivio rápido Son de dispositivas que permiten de forma automática y casi instantánea la salida de la cantidad necesaria de agua para que la presión máxima en el interior de la tubería no exceda un valor límite prefijado.
Suelen proteger una longitud máxima de impulsión el orden de 2 km. Los fabricantes suelen suministrar las curvas de funcionamiento de estas válvulas, hecho que facilita su elección en función de las características de la impulsión.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas anticipadoras de onda Están diseñadas para que se produzca su apertura en el momento de parada de la bomba y en la depresión inicial, de tal forma que cuando vuelva a la válvula la onda de sobrepresión, ésta se encuentre totalmente abierta, minimizando al máximo las sobrepresiones que el transitorio puede originar.
Ventosas Permiten la eliminación del aire acumulado en el interior de la tubería, admisión de aire cuando la presión en el interior es menor que la atmosférica y la eliminación del aire que circula en suspensión en el flujo bajo presión
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención Estas válvulas funcionan de manera que sólo permiten el flujo de agua en un sentido, por lo que también se conocen como válvulas anti-retorno.
Entre sus aplicaciones se puede señalar:
· En impulsiones, a la salida de la bomba, para impedir que ésta gire en sentido contrario, proteger la bomba contra las sobrepresiones y evitar que la tubería de impulsión se vacíe. · En impulsiones, en tramos intermedios para seccionar el golpe de ariete en tramos y reducir la sobrepresión máxima. · En hidrantes, para impedir que las aguas contaminadas retornen a la red.· En redes de distribución con ramales ascendentes, para evitar el vaciado de la mismas al detenerse el flujo.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención tipo clapeta Sus limitaciones son:
· No se pueden instalar verticalmente cuando la corriente va hacia abajo. · No funcionan correctamente cuando la velocidad del agua sobrepasa los 1.5 m/s. · No funcionan correctamente cuando las presiones estáticas empiezan a ser elevadas. Si se trabaja con más de 3 atmósferas de presión, conviene asegurarse de la fiabilidad de la válvula de clapeta simple que se trate de elegir. · No funcionan correctamente cuando las sobrepresiones del golpe de ariete empiezan a ser importantes. En ocasiones, la presión estática puede ser baja, pero una gran longitud de la tubería puede dar lugar a golpes de ariete excesivos para ciertas válvulas de retención. · No funcionan correctamente cuando los caudales son importantes. · Su funcionamiento es incorrecto cuando se cierran bruscamente, produciendo vibraciones que pueden dañar las tuberías y otras válvulas.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención tipo clapeta simple Son de fácil construcción. El disco se levanta por acción del agua hasta unos noventa grados. Su cierre suele ser muy brusco y entonces produce un golpetazo que repercute en las tuberías y en otros elementos adyacentes y puede originar un fuerte golpe de ariete.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención tipo clapeta simple con contrapeso.
Aminora en cierta medida la brusquedad en el cierre.
Válvulas de retención tipo clapeta simple con corto recorrido de clapeta.
Supone una mejora extraordinaria en la válvula simple, pues al tener la clapeta un menor recorrido no produce apenas golpetazo y puede admitir velocidades y presiones mayores.
Esta válvula se puede utilizar también con aguas sucias.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención tipo clapeta simple con sistema amortiguador y contrapeso.
Supone una mejora sobre las anteriores. El contrapeso permite regular in situ la cadencia del cierre hasta optimizarla. El amortiguador deja que la válvula se cierre en un 90 % antes de empezar a actuar, y de esta manera, el 10 % final del recorrido de la clapeta está controlado.
Esta es una de las pocas válvulas de retención que se pueden emplear con aguas negras.
La máxima velocidad admisible es del orden de 2 m/s y puede permitir presiones de hasta 10 ó 20 atmósferas, dependiendo de los materiales de su construcción.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención con clapeta de eje semicentrado
Es la válvula de clapeta que se puede considerar más fiable. En las anteriores, la clapeta gira por medio de una bisagra colocada en su extremo, mientras que en esta válvula la clapeta gira en dos semiejes descentrados que evitan que se produzca golpetazo.
Es la que produce menos pérdida de carga, son de coste más bien elevado y no se deben usar con aguas negras.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención de semiclapeta doble o de disco partido.
La clapeta o disco se ha partido en dos y las bisagras se colocan en un eje centrado. Los semidiscos van ayudados en el cierre por unos muelles, pero a pesar de ello, no se deben colocar para flujos verticales hacia abajo.
No suele dar golpetazo si está debidamente diseñada y construida con los materiales adecuados. Admite velocidades de hasta 5 m/s y puede construirse para grandes presiones.
Suele venderse para ser encajada entre dos bridas, al no disponer de bridas propias.
Métodos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Válvulas de retención de disco sobre eje longitudinal centrado.
Las características de estas válvulas de retención, también conocidad como válvulas de retención Williams–Hager, permiten las siguientes aplicaciones:
· Son recomendables cuando se esperen presiones de trabajo elevadas o cuando se puedan producir fuertes sobrepresiones por golpe de ariete.
· Admiten velocidades del flujo de agua de hasta 3 m/s.
· Se pueden colocar en cualquier posición, incluso verticalmente, cuando se quiera que retengan flujos de agua dirigidos hacia abajo.
· Se deben colocar exclusivamente en instalaciones de aguas limpias, nunca en aguas negras.
Daños ocacionados por golpe de ariete
Glosario de términos
Golpe de Ariete: Se denomina golpe de ariete a la
oleada de presión que se produce cuando el flujo de
agua a través de una manguera o de una tubería se
detiene de repente.
Altura piezométrica: si a una tubería por donde circula
un fluido le agregamos una serie de derivaciones
verticales, el agua que circula llenará estas tuberías
verticales hasta una altura determinada en cada caso,
en función de la presión existente en cada uno de los
puntos de la conducción principal. Uniendo el nivel de
agua en cada una de estas derivaciones, obtenemos la
llamada línea piezométrica.
Glosario de términos
Altura cinética: es la altura existente entre el nivel
máximo del agua que ha subido por la derivación
vertical hasta el final de dicha derivación. Depende de
la velocidad y aceleración que adquiera el agua desde
la conducción principal.
Material viscoelástico (tipo de tubería): es un material
que presenta tanto propiedades viscosas como
elásticas.
Compresibilidad: es básicamente una medida en el
cambio de la densidad.
Caudal: es la cantidad de fluido que avanza en una
unidad de tiempo.
Evaluación1.¿ Es posible la compresibilidad de los líquidos?R= Si, bajo condiciones de temperatura y presión normales son difíciles de comprimir sin embargo al variar estas condiciones pueden llegar a ser compresibles (presión de 1000 atmósferas).
2.¿Cuál es la teoría que considera al agua y a la tubería indeformables?R= Teoría de la columna rígida.
3.Menciona los tipos de flujo transitorios.R= Transitorios suaves y bruscos.
4.¿Cuáles son las características hidráulicas de un flujo transitorio?R= Presión, velocidad y caudal.
5.Señala algunos casos en donde se puede producir el fenómeno.R= Cierre y apertura de válvulas, arranque de bombas, detención de bombas, funcionamiento inestable de bombas, llenado inicial de tuberías, entre otros.
Videos de flujo multifásico
Bibliografía
David Hernández Hueramo. (2013). Manual de prácticas 4osemestre Hidráulica de conductos a presión. 12 de mayo de 2014, de Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Sitio web: http://hidraulica.umich.mx/laboratorio/images/man_pdf/4o/4_p5.pdf
Hugo Amado Rojas Rubio. (2013). Curso de Mecánica de Fluidos II. 13 de mayo de 2014, de Universidad Nacional del Santa Sitio web: http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/tuberias_manual.pdf