MEDIDAS CONTRA EL GOLPE DE ARIETE PDF

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MEDIDAS CONTRA EL GOLPE DE ARIETE Las tácticas más importantes para la mitigación del golpe de ariete son: • Alteración de las propiedades de la conducción, tales como el perfil y el diámetro. • Implementación de procedimientos modernos de control de válvulas y bombas • Diseño e instalación de apara...

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MEDIDAS CONTRA EL GOLPE DE ARIETE Las tácticas más importantes para la mitigación del golpe de ariete son: • Alteración de las propiedades de la conducción, tales como el perfil y el diámetro. • Implementación de procedimientos modernos de control de válvulas y bombas • Diseño e instalación de aparatos de control de las ondas de impulso. • Limitar las velocidades (0,6 a 3 m/s) • Cerrar lentamente las válvulas mediante la colocación de un volante de gran diámetro • Emplear válvulas especiales contra el golpe de ariete • Aumentar el espesor de la pared del tubo. • Construir pozos de oscilación o cámaras de aire comprimido, como las indicadas en las figuras 3.1 y 3.2.

Cámara de aire comprimido

Cámara

Figura 3.1

Pozo

Pozo de oscilación

Figura 3.2

Pueden tomarse varias clases de medidas, entre las cuales las más indicadas son las que no requieren equipos especializados, ya que en el caso de acueductos rurales no es fácil la labor de mantenimiento de estos aparatos OSCILACIÓN DE MASA En el tubo en "U" de la figura 3.3, con ambas ramas de igual sección transversal A 0, si se genera un movimiento oscilatorio de amplitud ∆h, tendremos, en ambas ramas, igual amplitud de oscilación ∆h/2. La velocidad en todas las secciones es la misma para un instante dado.

Figura 3.3 Si alguna de las ramas tuviera sección transversal mayor, la oscilación en la misma disminuiría proporcionalmente a su superficie, tal como puede apreciarse en el ramal de sección A1, dibujado en punteado en la figura 3.3 Es evidente que a medida que aumentamos la sección A1 , ∆h disminuye proporcionalmente y, en el caso límite de capacidad infinita de la rama, la oscilación en la misma sería nula. La oscilación de masa con una de las ramas del sistema dimensionado para aceptar oscilaciones acotadas, se utiliza para proteger instalaciones de impulsión contra las sobrepresiones transitorias debidas al golpe de ariete. Por ejemplo, para proteger a una conducción puede disponerse, antes del obturador, de un reservorio que posibilite transformar el "golpe de ariete" originado en la maniobra de cierre en una "oscilación de masa", acotada en el reservorio, el que recibe el nombre de "chimenea de equilibrio". 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 por aspectos constructivos y económicos. Sólo es aplicable en instalaciones de poca altura de elevación. Ventajas e inconvenientes de la chimenea de equilibrio Las ventajas de este dispositivo son: • Simplicidad de funcionamiento • No requiere mantenimiento mecánico • Únicamente se debe tener la precaución de dar a la chimenea una suficiente altura de manera tal que no rebose. • Si se hace una correcta instalación no requiere de dispositivos secundarios adicionales. Las desventajas son: • La altura de la chimenea debe ser mayor que la altura que tendría el líquido debida a la presión (línea piezométrica) en el punto a ser instalado. • Al producirse el paro de la instalación, la chimenea de equilibrio mantiene la altura piezométrica más o menos constante. Por el contrario la altura piezométrica en el punto inmediatamente aguas debajo de la bomba desciende en ocasiones con bastante rapidez. Esta diferencia de presiones origina que el flujo se invierta con mayor rapidez incluso en el caso de no existir la chimenea. Esta fuerte desaceleración e inversión del flujo lleva consigo asociados dos fenómenos. Por un lado pueden generarse velocidades de giro inversas en la máquina bastante importantes en el caso de no disponer de válvulas de retención. Por otro lado, en el caso de instalarse una válvula de retención para evitar velocidades de giro inversas en la máquina, se generan fuertes sobrepresiones al cerrarse ésta. Estas sobrepresiones pueden ser superiores a las que se generan sin la presencia de la chimenea. • La unión de la chimenea con la tubería, debe estar ubicada en una cota inferior a la altura piezométrica para caudal nulo, a fin de evitar que se vacíe de agua durante los períodos de tiempo en que la instalación esté parada. Deducción de las ecuaciones de oscilación El fenómeno constituye un caso particular del más general conocido como "golpe de ariete" y encuentra su diferenciación en los siguientes hechos: a) V= cte. en función de L, y V variable con el tiempo t.

b) Ello implica c = α y, por lo tanto, no hay perturbaciones elásticas de la conducción, la que en teoría permanece inalterable. c) Al ser V = cte. con L, también j* (función de V2) resulta constante con L.

Figura 3.4 La ecuación que acota al problema, es la modificación realizada a la primera ecuación de Saint Venant, que integrada resulta en:

Por continuidad, el volumen que sale de la conducción es igual al incremento de volumen en el reservorio, es decir: V*A*dt = S*dz Despejando V, derivando respecto al tiempo y reemplazando en la ecuación modificada de Saint Venant, tendremos:

Para el nivel original, p = γZ, tendremos la siguiente ecuación diferencial:

A

B

Y esta es una ecuación homogénea de la forma: A*Z" + B*Z' + Z = 0

La solución de esta ecuación da lugar a tres casos posibles, según si las raíces de su polinomio característico son: 1. Reales y Distintas (si B2> 4A)⇒SOBREAMORTIGUAMIENTO En este caso la solución es de la forma:

Lo que da una variación temporal, de acuerdo a las condiciones iniciales, tal como se muestra en el siguiente gráfico:

Figura 3.5 2. Reales e Idénticas (si B2 = 4A)⇒AMORTIGUAMIENTO CRÍTICO La solución general de este caso es de la forma:

Y la variación es idéntica a la del caso anterior. 3. Imaginarias y Distintas (si B2< 4A)⇒ SUBAMORTIGUAMIENTO La solución básica de ésta, la forma más común, que analizaremos es de la forma:

Siendo:

La solución genera una forma funcional como la que indica la figura 3.6:

Figura 3.6 Las constantes N y M (C1 y C2 de la ecuación general de subamortiguamiento) se obtienen aplicando condiciones iniciales y de frontera:

En donde:

El que la chimenea de equilibrio resulte una instalación cara, cuyo costo está en proporción con la altura h, hace que su instalación sea justificada en conducciones a gravedad de baja pendiente, como por ejemplo las galerías de presión de las plantas hidroeléctricas. Otros dispositivos de atenuación del Golpe de Ariete, 3.3 Cámaras de aire En el caso de una impulsión, resulta en la mayoría de los casos impracticable la protección con una chimenea de equilibrio. 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 bolsa, con lo que se evita su disolución en el agua. La cámara 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. 3.4 Válvulas de alivio rápido Son de dispositivos 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. 3.5 Válvulas anticipadoras de onda Estas válvulas están diseñadas para que se produzca su apertura en el momento de parada de la bomba y cuando se produce 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. 3.6 Ventosas Dependiendo de su función, 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. Estas válvulas tienen varias funciones: 1) Expeler el aire dentro de la tubería durante su llenado. 2) Expulsar el aire que tiende a acumularse en los puntos altos. 3) Admitir aire en el caso de operación de una válvula de purga que pueda crear presiones negativas en la tubería.

3.7 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. 3.8 Volantes de inercia Cuando un grupo de bombeo se desconecta por cualquier razón, programada o accidental, por inercia, la bomba sigue girando disminuyendo progresivamente su velocidad hasta que esta se para. A medida que el rodete disminuye su velocidad, el caudal bombeado por la misma también disminuye, originando un flujo transitorio en la instalación, y el correspondiente golpe de ariete con el cierre de la válvula de retención. La disminución de la velocidad de giro, con la consiguiente variación en el caudal bombeado, está directamente ligada con el momento de inercia de la bomba. Las dos masas giratorias que aportan su efecto serán el rodete de la bomba y el rotor del motor eléctrico. Es decir, si el momento de inercia aumenta, la velocidad de giro disminuye más lentamente, por lo que el caudal bombeado, que es función del régimen de giro de la bomba, también disminuye más lentamente, por lo que las oscilaciones de la velocidad serán menores. Así, introduciendo una mayor masa que incremente la inercia conseguimos disminuir las oscilaciones de presión originadas por la parada de la bomba, pero, hay que tener en cuenta que esto también incrementa el tiempo de transitorio tanto en parada como en puesta en funcionamiento. Este método rara vez se encuentra en grandes bombas por el enorme coste de los volantes de inercia que se debe introducir en los motores, así como tampoco se utiliza en bombas con ejes verticales 3.9 By-pass El by-pass está indicado para la protección de instalaciones contra las depresiones originadas en la primera fase del transitorio generado por la parada del grupo de impulsión.

Cuando el grupo de impulsión dispone de cierto nivel de presión en la aspiración este sistema puede ser una alternativa económica y fiable a otros dispositivos como el calderón, la chimenea de equilibrio o los tanques unidireccionales. Al producirse el fallo de las bombas, la presión comienza a descender aguas debajo de la válvula de retención colocada a la salida del grupo. Si la presión llega a caer por debajo del nivel de agua del depósito del cual se alimentan las bombas, entonces a través del by-pass se produce un flujo desde el depósito de aspiración hacia la conducción principal sin pasar por las bombas. Este aporte de caudal realiza una función de control similar a la que haría un tanque unidireccional instalado en dicho punto. En resumen, se consigue evitar que las depresiones en el tramo inicial aguas abajo del grupo de impulsión lleguen a ser de importancia....