Golpe de ArieteFenmeno transitorio en el que se considera que: La tubera no es rgida El lquido es compresible

Se produce ante un paro brusco del flujo del fluido (tpico el cierre de una vlvula).La energa cintica se transforma en energa de presin.

La sobrepresin puede llegar a romper la tubera.

El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramenteelstico(aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluidono compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente unavlvula un grifo instalado en el extremo de unatuberade cierta longitud, las partculas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrs y que siguen an en movimiento. Esto origina unasobrepresinque se desplaza por la tubera a unavelocidadque puede superar lavelocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresin tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo suvolumen, y dilata ligeramente la tubera. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubera se ha detenido, cesa el impulso que la comprima y, por tanto, sta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubera que se haba ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensin normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otraonda de presinen el sentido contrario. El fluido se desplaza en direccin contraria pero, al estar la vlvula cerrada, se produce una depresin con respecto a la presin normal de la tubera. Al reducirse la presin, el fluido puede pasar a estadogaseosoformando una burbuja mientras que la tubera se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubera, si laondano se ve disipada, por ejemplo, en un depsito apresin atmosfrica, se reflejar siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresin del fluido y la dilatacin de la tubera.Este fenmeno es muy peligroso, ya que la sobrepresin generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presin normal de la tubera, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, vlvulas, etc.).La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresin se cargarn de msenerga, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, ms fuerte ser el golpe.El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberas dehierro colado, ensancha las deplomo, arranca codos instalados.

En resumen el golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o disminucin de la velocidad del flujo. Estas fluctuaciones de presin pueden ser lo suficientemente severas como para romper la tubera de agua. Los problemas potenciales del golpe de ariete pueden ser considerados al evaluarse el diseo de las tuberas y cuando se realiza un anlisis detallado de las oscilaciones de presin, en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos en el sistema de distribucin. Cualquier cambio mayor en el diseo del sistema principal o cambio en la operacintales como aumento en la demanda de los niveles de flujodeben incluir la consideracin de los problemas potenciales de golpe de ariete. Este fenmeno y su significado tanto para el diseo como para la operacin de los sistemas de agua, no son ampliamente entendidos, como demuestra por el nmero y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete.

Investigando las Causas del Golpe de Ariete.-Las condiciones de operacin de un sistema de transporte de agua casi nunca estn en un estado constante. Las presiones y los flujos cambian continuamente a medida que la bomba se enciende y se apaga, la demanda flucta y los niveles del tanque cambian.Adicionalmente a estos eventos normales existen acontecimientos imprevistos tales como interrupciones de energa y el mal funcionamiento de los equipos, lo que puede cambiar rpidamente las condiciones de operacin de un sistema. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flujo del lquido, sin importar el nivel o magnitud del cambio, requiere que el lquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de flujo. Los cambios rpidos en el nivel del flujo requieren grandes fuerzas que son vistas como presiones altas, las cuales causan golpe de ariete.El aire atrapado o los cambios de temperatura del agua tambin pueden causar excesiva presin en las lneas de agua. El aire atrapado en la lnea se comprimir y ejercer una presin extra en el agua. Los cambios de temperatura causan que el agua se expanda o se contraiga, afectando tambin la presin. Las presiones mximas experimentadas en un sistema de tuberas son frecuentemente el resultado de la separacin de una columna de vapor, la cual es causada por la formacin de paquetes vacos de vapor cuando la presin cae tan bajo que el lquido ebulle o se vaporiza.Las presiones dainas pueden ocurrir cuando estas cavidades se colapsan.Las causas del golpe de ariete son muy variadas.Sin embargo existen cuatro eventos comunes que tpicamente inducen grandes cambios de presin:1. El arranque de la bomba puede inducir un colapso rpido del espacio vaco que existe aguas abajo de la bomba.2. Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rpido en la energa de suministro del flujo, lo que causa un aumento de la presin en el lado de succin y una disminucin de presin en el lado de la descarga. La disminucin es usualmente el mayor problema. La presin en el lado de descarga de la bomba alcanza la presin de vapor, resultando en la separacin de la columna de vapor.3. La abertura y cierre de la vlvula es fundamental para una operacin segura de la tubera. Al cerrarse una vlvula, la parte final aguas debajo de una tubera crea una onda de presin que se mueve hacia el tanque de almacenamiento. El cerrar una vlvula en menos tiempo del que toma las oscilaciones de presin en viajar hasta el final de la tubera y en regresar se llama cierre repentino de la vlvula. El cierre repentino de la vlvula cambiar rpidamente la velocidad y puede resultar en una oscilacin de presin. La oscilacin de presin resultante de una abertura repentina de la vlvula usualmente no es tan excesiva.4. Las operaciones inapropiadas o la incorporacin de dispositivos de proteccin de las oscilaciones de presin pueden hacer ms dao que beneficio. Un ejemplo es el exceder el tamao de la vlvula de alivio por sobre-presin o la seleccin inapropiada de la vlvula liberadora de aire/vaco.Otro ejemplo es el tratar de incorporar algunos medios de prevencin del golpe de ariete cuando este no es un problema.

Encontrando Soluciones Prcticas.-La oscilacin de presin debe ser incorporada junto con la presin de operacin durante el diseo de la tubera. Las recomendaciones y requerimientos con respecto a presiones de las oscilaciones permisibles estn dados en los estndares y manuales para la prctica de abastecimiento de agua de los Trabajos Americanos de Agua (AWWA, siglas en ingls) y varan dependiendo del tipo de tubera utilizada.Las siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete:Vlvulas:El golpe de ariete usualmente daa a las bombas centrfugas cuando la energa elctrica falla. En esta situacin, la mejor forma de prevencin es tener vlvulas controladas automticamente, las cules cierran lentamente. (Estas vlvulas hacen el trabajo sin electricidad o bateras. La direccin del flujo los controla). Al cerrarse la vlvula lentamente se puede moderar el aumento en la presin cuando las ondas de sobre-presin del agua de abajoresultando del cierre de la vlvula regresan del tanque de almacenamiento.El aire arrastrado o los cambios de temperatura del agua pueden ser controlados por la vlvula de descarga de la presin, los cuales estn fijados para abrir con presin excesiva en la lnea y luego se cierran cuando la presin cae. Las vlvulas de descarga son comnmente usadas en estaciones de bombeo para controlar la oleada de presin y proteger la estacin de bombeo. Estas vlvulas pueden ser un mtodo efectivo de control transitorio.Sin embargo, deben ser propiamente clasificadas y seleccionadas para realizar la tarea para la que estn previstas sin producir efectos secundarios.Si la presin pudiera bajar en los puntos elevados, una vlvula liberadora de aire y de vaco debe ser usada. Todos los descensos donde las presiones pudieran bajar mucho deben ser protegidos con vlvulas liberadoras de aire. Las vlvulas liberadoras de aire si estn apropiadamente clasificadas y dimensionadas, pueden ser el medio menos costoso para proteger el sistema de tuberas. Una vlvula liberadora de aire deber ser lo suficientemente larga para admitir suficientes cantidades de aire durante las oscilaciones de presin aguas abajo y para que la presin en las tuberas no baje mucho. Sin embargo, no deber ser tan larga que contenga un gran volumen de aire innecesario, porque este aire tendr que ser ventilado lentamente, incrementando el tiempo muerto del sistema. El tamao de la vlvula de descarga de aire es, como se ha mencionado, crtico.Bomba:Los problemas de operacin en el arranque de la bomba pueden usualmente ser evitados incrementando el flujo en la tubera lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Incluso, un simple medio para reducir las oscilaciones hidrulicas de presin es el mantener bajas velocidades en la tubera. Esto no solo resultar en oscilaciones bajas de presin, sino tambin resultar en bajos niveles de caballos de fuerza durante la operacin, y as, conseguir una mxima economa de operacin.

Tanque de Oscilacin:En tuberas muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua directamente conectado a la tubera llamado tanque de oscilacin. Cuando la oscilacin es encontrada, el tanque actuar para liberar la presin, y poder almacenar el lquido excesivo, dando al flujo un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la expansin de la pared de la tubera y compresin del fluido. Los tanques de oscilacin pueden servir para ambos, fluctuaciones positivas y negativas.Estos tanques de oscilacin tambin pueden ser diseados para proporcionar flujo al sistema durante una oscilacin agua abajo, de esta manera previene o minimiza la separacin de la columna de vapor. Sin embargo, los tanques de oscilacin pueden ser un dispositivo de control costoso.Cmara de Aire:Las cmaras de aire son instaladas en reas donde se puede encontrar el golpe de ariete frecuentemente, y tpicamente pueden ser vistos detrs de accesorios de los lavabos y la tina de bao. De forma fina como botellas volteadas al revs y con un pequeo orificio conectado a la tubera, estn llenos de aire. El aire se comprime para absorber el choque, protegiendo a los accesorios y a la tubera.

Conclusin.-El golpe de ariete est asociado con sistemas que no pueden ser definidos exactamente debido al tamao y largo del sistema de distribucin de agua con un perfil ondulante o por la falta de definicin de los componentes del sistema tales como las vlvulas o las bombas. Existe una necesidad de un acercamiento ms prctico mientras que la investigacin contina proporcionando mejores descripciones de la fsica del golpe de ariete y mientras que las soluciones computacionales proporcionen herramientas ms tiles que incluyan esos principios. Sirve aclarar que es recomendable estudiar este fenmeno ms a fondo, para conocer sus causas y as, poder controlarlo.

Bibliografa.- "Movimiento Impermanente en Tuberas" - Ing. Adolfo GUITELMAN - PublicacinCEI. "Mtodo de los Diagramas Triangulares"- Ing. Luis E. PREZ FARRS. "El Golpe de Ariete en Impulsiones"- Enrique MENDILUCHE ROSICH. "Clases de Mquinas Hidrulicas y Aprovechamientos Hidroelctricos"- Ing. RobertoDiego COTTA.

CAVITACIONLacavitacino aspiraciones envacoes un efecto hidrodinmicoque se produce cuando elaguao cualquier otro fluidoen estado lquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresin del fluido debido a la conservacin de laconstante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance lapresin de vapordellquidode tal forma que las molculasque lo componen cambian inmediatamente a estado devapor, formndose burbujas o, ms correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presin eimplosionan(el vapor regresa al estado lquido de manera sbita, aplastndose bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenmeno.La implosin causaondas de presinque viajan en el lquido a velocidades prximas a las del sonido, es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser prxima a la del sonido. Estas pueden disiparse en la corriente del lquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presin es la misma, el material tiende a debilitarse metalrgicamente y se inicia una erosin que, adems de daar la superficie, provoca que sta se convierta en una zona de mayor prdida de presin y por ende de mayor foco de formacin de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared slida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el lquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie slida. Ntese que dependiendo de la composicin del material usado se podra producir una oxidacin de ste con el consiguiente deterioro del material.El fenmeno generalmente va acompaado de ruido y vibraciones, dando la impresin de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la mquina.Se puede presentar tambin cavitacin en otros procesos como, por ejemplo, en hlices de barcos y aviones, bombas ytejidos vascularizadosde algunas plantas.Se suele llamarcorrosinpor cavitacinal fenmeno por el que la cavitacin arranca la capa de xido (resultado de lapasivacin) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (nodo) y la que permanece pasiva (cubierta por xido) se forma unpar galvnicoen el que el nodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de xido y la que lo mantiene (ctodo).El proceso fsico de la cavitacin es casi exactamente igual que el que ocurre durante laebullicin. La mayor diferencia entre ambos consiste en cmo se efecta el cambio defase. Laebullicineleva la presin de vapordellquidopor encima de lapresinambiente local para producir el cambio afase gaseosa, mientras que la cavitacin es causada por una cada de lapresinlocal por debajo de la presin de vaporque causa una succin.Para que la cavitacin se produzca, las burbujas necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depsito, impurezas del lquido o cualquier otra irregularidad, pero normalmente ha de tenerse en cuenta la temperatura del fluido que, en gran medida va a ser la posible causa de la cavitacin.El factor determinante en la cavitacin es latemperaturadellquido. Al variar latemperaturadellquido vara tambin lapresin de vaporde forma importante, haciendo ms fcil o difcil que para unapresin local ambiente dada lapresin de vaporcaiga a un valor que provoque cavitacin.

Problemas y correccin.-La cavitacin es, en la mayora de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos comohlicesybombas, la cavitacin puede causar muchoruido, dao en los componentes y una prdida derendimiento. Este fenmeno es muy estudiado eningeniera navaldurante el diseo de todo tipo debarcosdebido a que acorta la vida til de algunas partes tales como lashlicesy lostimones. En el caso de lossubmarinoseste efecto es todava ms estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navos de guerra mantener sus caractersticas operativas de silencio e indetectable por lasvibracionesyruidosque la cavitacin provoca en elcascoy las hlices.El colapso de las cavidades entraa gran cantidad deenergaque puede causar un dao enorme. La cavitacin puede afectar a casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de lasbombasohlices.Adems de todo lo anterior, la creacin y posterior colapso de las burbujas creanfriccinyturbulencias en ellquido. Esto contribuye a una prdida adicional derendimientoen los dispositivos sometidos a cavitacin.La cavitacin se presenta tambin en el fondo de losrosdonde se genera a partir de irregularidades dellechodisociando elaguay elaire. Ambos son sometidos apresiones, dando lugar, este ltimo, a burbujas que, con la fuerza delagua, se descomponen en tamaos microscpicos, saliendo disparadas a granvelocidad. Esto provoca un fuerte impacto en ellechoque puede ser de hasta 60t/m. Su importancia radica en la constancia y repeticin del fenmeno, lo que favorece su actuacin. La cavitacin es unproceso erosivofrecuente en lospilaresde lospuentes.Aunque la cavitacin es un fenmeno indeseable en la mayora de las circunstancias, esto no siempre es as. Por ejemplo, lasupercavitacintiene aplicaciones militares como por ejemplo en lostorpedos desupercavitacinen los cuales una burbuja rodea altorpedoeliminando de esta manera todafriccin con elagua. Estostorpedosse pueden desplazar a altasvelocidadesbajo elagua, incluso hasta velocidades supersnicas. La cavitacin puede ser tambin un fenmeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasnica. Estos dispositivos hacen uso deondassonorasultrasnicasy se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitacin para limpiar superficies.Otra aplicacin de la cavitacin es durante el proceso de homogeneizacin de un producto (ej. proceso biotecnolgico) que se lleva a cabo mediante unsonicador. Este aparato posee una punta que se sumerge en la solucin a homogeneizar y vibra a frecuencias ultrasnicas. Estas vibraciones de alta frecuencia causan cavitacin, que como ya se mencion es la formacin de pequeas burbujas en el medio lquido. Estas burbujas colapsan liberando su energa mecnica en forma de ondas de choque equivalente a varios miles de atmsferas de presin, rompiendo clulas presentes en la suspensin. La duracin de ultrasonido necesario depende del tipo de clulas, el tamao de la muestra y la concentracin celular. Para las clulas bacterianas como laE. coli, 30 a 60 segundos puede ser suficiente para muestras pequeas clulas delevadura, pueden necesitar de 2 a 10 minutos.

Conclusin.- La cavitacin es un fenmeno que se produce siempre que la presin en algn punto o zona de la corriente de un lquido desciende por debajo de un valor admisible. El fenmeno puede producirse tanto en tuberas o venturis como en bombas, hlices y turbinas. Por los efectos destructivos que en las estructuras mal instaladas se puede producir la cavitacin es preciso estudiar este fenmeno, para conocer sus causas y as, poder controlarlo.

Bibliografa.-Mecnica de Fluidos. Autor: steeter and wylieManual del ingeniero mecnico. Autor: Edward Smith