Curso online de hidráulica para bomberos: Concepto de golpe de ariete o pulso de zhukowski. Efectos del golpe de ariete. Ejemplo práctico de golpe de ariete. Cálculo de máxima sobrepresión en un golpe de ariete.
Hydraulics online course for firefighters: Concept of water hammer or zhukowski pulse. Effects of water hammer. Practical example of water hammer. Calculation of maximum overpressure in a water hammer.
CURSO ONLINE HIDRAULICA BASICA
EL GOLPE DE ARIETE O PULSO DE ZHUKOWSKI
El fenómeno conocido como golpe de ariete, tiene lugar en una tubería o una manguera por la que circula agua con cierta velocidad y se interrumpe, por ejemplo, mediante una llave o la válvula de cierre de una lanza. Entonces, aparecen en las paredes de la misma, unas sobrepresiones que pueden llegar a producir la rotura de la conducción.
GOLPE DE ARIETE O PULSO DE ZHUKOWSKI
El golpe de ariete, también conocido como pulso de Zhukowski, es: una sobrepresión y depresión consecutivas que se forma en una tubería al variar bruscamente el caudal que circula por ella.
Cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se ha detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que continúan en movimiento.
Este empuje crea una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esto tiene dos efectos: crea una situación de sobrepresión en el interior de la conducción y dilata ligeramente la tubería.
Cuando todo el fluido que circulaba se detiene, esa velocidad se transforma en presión en ese punto en el interior de la tubería y, por tanto, esta tiende a expandirse.
Además, la tubería que tiende a aumentar su diámetro, también tiende a retomar su dimensión normal.
Estos efectos provocan conjuntamente una onda de presión que solo puede viajar en sentido opuesto a la circulación del fluido (puesto que hemos interrumpido el paso de fluido mediante una barrera física).
El fluido se desplaza entonces en sentido contrario, pero al estar la válvula cerrada se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería.
Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso y formar una burbuja mientras la tubería se contrae.
Si la onda no se disipa al alcanzar el otro extremo de la tubería (por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica) se reflejará, y será mitigada progresivamente por la propia resistencia de la tubería a la compresión y dilatación, generada por el fluido.
Ejemplo práctico de golpe de ariete
Para explicar el fenómeno, supongamos que tenemos una instalación, de longitud L, que se alimenta por gravedad de un deposito que se encuentra a presión constante.
Para simplificar la explicación suponemos que no existen pérdidas por fricción.
Si cerramos la válvula V, el agua que circula con velocidad v, chocará contra la misma. El resultado será un brusco aumento de presión y una detención progresiva del fluido, si esta perturbación se desplaza con una velocidad de a m/s, en un tiempo L/a segundos todo el fluido de la manguera estará en reposo y la conducción sometida a una sobrepresión.
Es decir que el fenómeno se caracteriza por una transformación alternativa de la energía cinética que poseía el fluido en energía elástica que almacenará tanto el fluido como las paredes de la conducción.
Al llegar la sobrepresión a las inmediaciones del deposito, existirá una mayor presión en la conducción que en el depósito, por tanto el agua tenderá a entrar en el mismo, con velocidad -v.
La presión volverá a ser la que tenía inicialmente la conducción, pero como el agua ahora circula de la válvula al deposito, en el instante 2L/a segundos, la perturbación llega a la válvula, que como se encuentra cerrada, no se repone el agua que se desplaza y por tanto se genera un depresión en la misma, tal que el agua se frena hasta alcanzar el reposo.
Esta depresión se transmite de nuevo por la conducción hasta que transcurridos 3L/a segundos, desde el cierre de la válvula, el fluido no posee velocidad, pero esta en depresión.
Por lo tanto el agua tenderá a circular del deposito a la conducción, adquiriendo de nuevo la velocidad v en dirección hacia la válvula. En el momento que la perturbación, que ahora viaja hacia delante, llega de nuevo a la válvula, se repiten las condiciones iniciales del cierre ocurrido 4L/a segundos antes.
El proceso descrito se repite cada 4L/a segundos. Los efectos del rozamiento y la elasticidad del fluido y de la conducción, despreciadas en la descripción anterior, llevan a que el fenómeno se amortigüe y el fluido alcance finalmente el estado de reposo.
Se puede demostrar, que la máxima sobrepresión que puede llegar a alcanzarse en un golpe de ariete es:
a ⋅ Vo
∆h = 一一
g
∆h: sobrepresión, en metros de columna del fluido circulante.
a: velocidad de propagación de la perturbación (m/s).
Vo: velocidad de régimen del fluido.
g: aceleración de la gravedad (9,81 m/s2).
El valor de a depende del material de la conducción, el diámetro y el espesor de la misma.
Para dar una idea aproximada en las tuberías de acero es de 1000 m/s, 800 m/s para el fibrocemento y en el caso de conducciones de PVC desciende hasta 200 m/s.
