Golpe de Ariete Fenómeno transitorio en el que se considera que: • La tubería no es rígida • El líquido es compresible Se produce ante un paro brusco del flujo del fluido (típico el cierre de una válvula). La energía cinética se transforma en energía de presión. La sobrepresión puede llegar a romper la tubería. El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria 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 formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería. Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc.). La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados. En resumen el golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o disminución de la velocidad del flujo. Estas fluctuaciones de presión pueden ser lo suficientemente severas como para romper la tubería de agua. Los problemas potenciales del golpe de ariete pueden ser considerados al evaluarse el diseño de las tuberías y cuando se realiza un análisis detallado de las oscilaciones de presión, en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos en el sistema de distribución. Cualquier cambio mayor en el diseño del sistema principal o cambio en la operación—tales como aumento en la demanda de los niveles de flujo—deben incluir la consideración de los problemas potenciales de golpe de ariete. Este fenómeno y su significado tanto para el diseño como para la operación de los sistemas de agua, no son ampliamente entendidos, como demuestra por el número y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete. Investigando las Causas del Golpe de Ariete.- Las condiciones de operación de un sistema de transporte de agua casi nunca están en un estado constante. Las presiones y los flujos cambian continuamente a medida que la bomba se enciende y se apaga, la demanda fluctúa y los niveles del tanque cambian. Adicionalmente a estos eventos normales existen acontecimientos imprevistos tales como interrupciones de energía y el mal funcionamiento de los equipos, lo que puede cambiar rápidamente las condiciones de operación de un sistema. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flujo del líquido, sin importar el nivel o magnitud del cambio, requiere que el líquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de flujo. Los cambios rápidos 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 también pueden causar excesiva presión en las líneas de agua. El aire atrapado en la línea se comprimirá y ejercerá una presión extra en el agua. Los cambios de temperatura causan que el agua se expanda o se contraiga, afectando también la presión. Las presiones máximas experimentadas en un sistema de tuberías son frecuentemente el resultado de la separación de una columna de vapor, la cual es causada por la formación de paquetes vacíos de vapor cuando la presión cae tan bajo que el líquido ebulle o se vaporiza. Las presiones dañinas pueden ocurrir cuando estas cavidades se colapsan. Las causas del golpe de ariete son muy variadas. Sin embargo existen cuatro eventos comunes que típicamente inducen grandes cambios de presión: 1. El arranque de la bomba puede inducir un colapso rápido del espacio vacío que existe aguas abajo de la bomba. 2. Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rápido en la energía de suministro del flujo, lo que causa un aumento de la presión en el lado de succión y una disminución de presión en el lado de la descarga. La disminución es usualmente el mayor problema. La presión en el lado de descarga de la bomba alcanza la presión de vapor, resultando en la separación de la columna de vapor. 3. La abertura y cierre de la válvula es fundamental para una operación segura de la tubería. Al cerrarse una válvula, la parte final aguas debajo de una tubería crea una onda de presión que se mueve hacia el tanque de almacenamiento. El cerrar una válvula en menos tiempo del que toma las oscilaciones de presión en viajar hasta el final de la tubería y en regresar se llama “cierre repentino de la válvula”. El cierre repentino de la válvula cambiará rápidamente la velocidad y puede resultar en una oscilación de presión. La oscilación de presión resultante de una abertura repentina de la válvula usualmente no es tan excesiva. 4. Las operaciones inapropiadas o la incorporación de dispositivos de protección de las oscilaciones de presión pueden hacer más daño que beneficio. Un ejemplo es el exceder el tamaño de la válvula de alivio por sobre-presión o la selección inapropiada de la válvula liberadora de aire/vacío. Otro ejemplo es el tratar de incorporar algunos medios de prevención del golpe de ariete cuando este no es un problema. Encontrando Soluciones Prácticas.- La oscilación de presión debe ser incorporada junto con la presión de operación durante el diseño de la tubería. Las recomendaciones y requerimientos con respecto a presiones de las oscilaciones permisibles están dados en los estándares y manuales para la práctica de abastecimiento de agua de los Trabajos Americanos de Agua (AWWA, siglas en inglés) y varían dependiendo del tipo de tubería utilizada. Las siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete: Válvulas: El golpe de ariete usualmente daña a las bombas centrífugas cuando la energía eléctrica falla. En esta situación, la mejor forma de prevención es tener válvulas controladas automáticamente, las cuáles cierran lentamente. (Estas válvulas hacen el trabajo sin electricidad o baterías. La dirección del flujo los controla). Al cerrarse la válvula lentamente se puede moderar el aumento en la presión cuando las ondas de sobre-presión del agua de abajo—resultando del cierre de la válvula— regresan del tanque de almacenamiento. El aire arrastrado o los cambios de temperatura del agua pueden ser controlados por la válvula de descarga de la presión, los cuales están fijados para abrir con presión excesiva en la línea y luego se cierran cuando la presión cae. Las válvulas de descarga son comúnmente usadas en estaciones de bombeo para controlar la oleada de presión y proteger la estación de bombeo. Estas válvulas pueden ser un método efectivo de control transitorio. Sin embargo, deben ser propiamente clasificadas y seleccionadas para realizar la tarea para la que están previstas sin producir efectos secundarios. Si la presión pudiera bajar en los puntos elevados, una válvula liberadora de aire y de vacío debe ser usada. Todos los descensos donde las presiones pudieran bajar mucho deben ser protegidos con válvulas liberadoras de aire. Las válvulas liberadoras de aire si están apropiadamente clasificadas y dimensionadas, pueden ser el medio menos costoso para proteger el sistema de tuberías. Una válvula liberadora de aire deberá ser lo suficientemente larga para admitir suficientes cantidades de aire durante las oscilaciones de presión aguas abajo y para que la presión en las tuberías no baje mucho. Sin embargo, no deberá ser tan larga que contenga un gran volumen de aire innecesario, porque este aire tendrá que ser ventilado lentamente, incrementando el tiempo muerto del sistema. El tamaño de la válvula de descarga de aire es, como se ha mencionado, crítico. Bomba: Los problemas de operación en el arranque de la bomba pueden usualmente ser evitados incrementando el flujo en la tubería lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Incluso, un simple medio para reducir las oscilaciones hidráulicas de presión es el mantener bajas velocidades en la tubería. Esto no solo resultará en oscilaciones bajas de presión, sino también resultará en bajos niveles de caballos de fuerza durante la operación, y así, conseguir una máxima economía de operación. Tanque de Oscilación: En tuberías muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua directamente conectado a la tubería llamado “tanque de oscilación”. Cuando la oscilación es encontrada, el tanque actuará para liberar la presión, y poder almacenar el líquido excesivo, dando al flujo un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la expansión de la pared de la tubería y compresión del fluido. Los tanques de oscilación pueden servir para ambos, fluctuaciones positivas y negativas. Estos tanques de oscilación también pueden ser diseñados para proporcionar flujo al sistema durante una oscilación agua abajo, de esta manera previene o minimiza la separación de la columna de vapor. Sin embargo, los tanques de oscilación pueden ser un dispositivo de control costoso. Cámara de Aire: Las cámaras de aire son instaladas en áreas donde se puede encontrar el golpe de ariete frecuentemente, y típicamente pueden ser vistos detrás de accesorios de los lavabos y la tina de baño. De forma fina como botellas volteadas al revés y con un pequeño orificio conectado a la tubería, están llenos de aire. El aire se comprime para absorber el choque, protegiendo a los accesorios y a la tubería. Conclusión.- El golpe de ariete está asociado con sistemas que no pueden ser definidos exactamente debido al tamaño y largo del sistema de distribución de agua con un perfil ondulante o por la falta de definición de los componentes del sistema tales como las válvulas o las bombas. Existe una necesidad de un acercamiento más práctico mientras que la investigación continúa proporcionando mejores descripciones de la física del golpe de ariete y mientras que las soluciones computacionales proporcionen herramientas más útiles que incluyan esos principios. Sirve aclarar que es recomendable estudiar este fenómeno más a fondo, para conocer sus causas y así, poder controlarlo. Bibliografía.- • "Movimiento Impermanente en Tuberías" - Ing. Adolfo GUITELMAN - Publicación CEI. • "Método de los Diagramas Triangulares"- Ing. Luis E. PÉREZ FARRÁS. • "El Golpe de Ariete en Impulsiones"- Enrique MENDILUCHE ROSICH. • "Clases de Máquinas Hidráulicas y Aprovechamientos Hidroeléctricos"- Ing. Roberto Diego COTTA. CAVITACION La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido a velocidades próximas a las del sonido, es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser próxima a la del sonido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. Nótese que dependiendo de la composición del material usado se podría producir una oxidación de éste con el consiguiente deterioro del material. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas. Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (resultado de la pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasiva (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo). El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor que causa una succión. Para que la cavitación se produzca, las «burbujas» necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido 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 cavitación. El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación. Problemas y corrección.- La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida de rendimiento. Este fenómeno es muy estudiado en ingeniería naval durante el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones. En el caso de los submarinos este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectable por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices. El colapso de las cavidades entraña gran cantidad de energía que puede causar un daño enorme. La cavitación 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 las bombas o hélices. Además de todo lo anterior, la creación y posterior colapso de las burbujas crean fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación. La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes. Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para limpiar superficies. Otra aplicación de la cavitación es durante el proceso de homogeneización de un producto (ej. proceso biotecnológico) que se lleva a cabo mediante un sonicador. Este aparato posee una punta que se sumerge en la solución a homogeneizar y vibra a frecuencias ultrasónicas. Estas vibraciones de alta frecuencia causan cavitación, que como ya se mencionó es la formación de pequeñas burbujas en el medio líquido. Estas burbujas colapsan liberando su energía mecánica en forma de ondas de choque equivalente a varios miles de atmósferas de presión, rompiendo células presentes en la suspensión. La duración de ultrasonido necesario depende del tipo de células, el tamaño de la muestra y la concentración celular. Para las células bacterianas como la E. coli, 30 a 60 segundos puede ser suficiente para muestras pequeñas células de levadura, pueden necesitar de 2 a 10 minutos. Conclusión.- La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un valor admisible. El fenómeno puede producirse tanto en tuberías o venturis como en bombas, hélices y turbinas. Por los efectos destructivos que en las estructuras mal instaladas se puede producir la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y así, poder controlarlo. Bibliografía.- Mecánica de Fluidos. Autor: steeter and wylie Manual del ingeniero mecánico. Autor: Edward Smith