Golpe de Ariete

En las tres fases de proyecto, instalación y funcionamiento de ciertas estructuras y máquinas hidráulicas es necesario un control de estos dos fenómenos: golpe de ariete y cavitación, que originan sobrepresiones o depresiones excesivas y que pueden conducir a averías, llegando hasta la destrucción misma de la estructura o de la máquina. Se describirá la teoría asociada al fenómeno transitorio del golpe de ariete (water hammer).  

En el estudio de este fenómeno hay que abandonar las dos hipótesis normalmente adoptadas en flujo en tuberías: fluido incompresible y  régimen permanente. El golpe de ariete es un fenómeno transitorio y por tanto de régimen variable, en el que la tubería ya  no es rígida  y el líquido es compresible.

En el estudio de este fenómeno hay que abandonar las dos hipótesis normalmente adoptadas en flujo en tuberías: fluido incompresible y  régimen permanente. El golpe de ariete es un fenómeno transitorio y por tanto de régimen variable, en el que la tubería ya  no es rígida  y el líquido es compresible.

Este fenómeno se produce en los conductos al cerrar o abrir una válvula y al poner en marcha o parar una máquina hidráulica, o también al disminuir bruscamente el caudal. Un caso muy común es el que ocurre en las centrales hidráulicas, donde se ha de reducir bruscamente el caudal suministrado a las turbinas hidráulicas acopladas a los alternadores, cuando se anula la carga de dicho alternador. 

Golpe de ariete

El golpe de ariete es un fenómeno que se produce en una tubería forzada por el efecto de fluctuación del caudal circulante, y que se traduce en una variación de la presión interna en la tubería, por encima o por debajo de la presión de trabajo. La figura representa una tubería de longitud L, espesor  y diámetro interior D por la que circula agua proveniente de un depósito aguas arriba y que termina en una válvula en su extremo derecho. Si se cierra ésta rápidamente, en virtud del principio de conservación de la energía, al disminuir la energía cinética, ésta se va transformando en un trabajo de compresión del fluido que llena la tubería así como en un trabajo necesario para dilatar esta última:  golpe de ariete positivo. Por el contrario, al abrir rápidamente una válvula se puede producir una depresión: golpe de ariete negativo.

El estudio de este fenómeno permitirá ver qué factores son influyentes en este mecanismo, con el objetivo de predecir las sobrepresiones que podrían alcanzarse en el circuito a fin de seleccionar el espesor de tubería necesario para resistir estas solicitaciones mecánicas.

 Aunque es físicamente imposible cerrar una válvula instantáneamente, el estudio inicial del caso de  cierre instantáneo  ayuda a comprender el estudio de los casos reales. Así, al cerrarse instantáneamente la válvula de la figura, el frenazo provoca una sobrepresión ΔP que se transmite aguas arriba a la velocidad del sonido, a. Por tanto, esta transmisión aguas arriba no ocurre de forma instantánea, sino que lo hace a una velocidad finita (a). En la zona por donde ha pasado la onda, el flujo se ha detenido, el fluido se ha comprimido y la tubería expandido, mientras que donde aún no ha llegado, las condiciones siguen siendo las iniciales. De esta forma, se ha creado una onda elástica, una onda de presión que se propaga por la tubería, se refleja en el depósito, vuelve a la válvula y de nuevo al depósito, así sucesivamente, originando sobrepresiones y depresiones en la tubería, la cual se dilata o contrae al paso de la onda. Si la longitud de la tubería se denota como L, entonces el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia entre la válvula y el depósito es: t0=L/a. Al cabo de un tiempo T=4t0=4L/a. el ciclo se repite. Evidentemente, una situación ideal como esta conduciría a un bucle infinito. El proceso se repetiría indefinidamente si no existiera rozamiento en la tubería. En un caso real con rozamiento, el fenómeno se va amortiguando con el tiempo.

A continuación se detalla el proceso del golpe de ariete instantáneo durante un ciclo completo.

La explicación se complementa con la evolución gráfica de la figura.

(1) No hay perturbación. Régimen permanente. El líquido en la tubería se desplaza con velocidad v desde el depósito a la válvula. Diámetro de la tubería normal, D.

(2) Tiempo 0. La válvula se cierra instantáneamente. La velocidad del líquido se anula a partir de la válvula, no instantáneamente, en toda la tubería.

(3) Tiempo t0=0.5L/a. La onda de presión se ha propagado hacia el embalse con celeridad a y el frente de onda ha llegado a la mitad de la tubería. Mitad derecha de la tubería dilatada por la sobrepresión. Mitad izquierda, diámetro normal. En esa mitad izquierda el agua sigue circulando con velocidad  v hacia la válvula. En la mitad derecha,  v=0. El fluido se ha comprimido en contra de la válvula.

(4) Tiempo t0=L/a. La onda de presión ha llegado al depósito. En toda la tubería el líquido está en reposo,  v=0, pero no en equilibrio, pues se encuentra comprimido. Toda la tubería está dilatada. Como un resorte que se recupera tras la compresión, el agua de la tubería comienza a moverse con velocidad  v, pero dirigida en sentido contrario, hacia el embalse. El líquido comienza a ponerse en movimiento justo en la zona inmediatamente después de la unión tanque-tubería.

(5) Tiempo t0=1.5L/a. La mitad izquierda de la tubería se ha contraído a su diámetro normal. La onda sigue propagándose hacia la derecha con velocidad  a. En la mitad izquierda de la tubería el fluido circula con velocidad v.

(6) Tiempo t0=2L/a. Diámetro de toda la tubería normal. Todo el fluido de la tubería en movimiento desde la válvula hacia el embalse con velocidad  v. No hay sobrepresión en ninguna parte de la tubería, pero por la inercia, la presión continúa disminuyendo, la onda elástica se sigue propagando, ahora con depresión desde la válvula hacia el embalse con la velocidad a: el diámetro de la tubería irá disminuyendo por debajo de su diámetro normal.

(7) Tiempo t0=2.5L/a. La depresión ha alcanzado la mitad de la tubería. La mitad de la derecha contiene agua en reposo y a una presión por debajo de lo normal. El diámetro de la tubería en esta mitad es inferior al normal.

(8) Tiempo t0=3L/a. El agua en toda la tubería está en reposo; pero no en equilibrio, y el agua inicia su movimiento desde el embalse a la válvula con velocidad v dirigida hacia la derecha. La depresión reina en toda la tubería. El diámetro de toda la tubería es inferior al normal.

(9) Tiempo t0=3.5L/a. En la mitad izquierda de la tubería el fluido está en movimiento con velocidad v hacia la válvula. En la mitad derecha, el líquido continúa en reposo y en depresión.

(10) Tiempo t0=4L/a. Diámetro de la tubería normal. Todo el fluido en movimiento con velocidad v hacia la válvula. Todo igual que el tiempo 0, así que efectivamente el período de este movimiento es cuatro veces t0.

Conclusión

el ariete hidráulico sirve para poder llevar un caudal de un punto a otro con una mayor elevación considerable, este método funciona por medio de cuando se cierra un llave con una velocidad rápida el agua genera una fuerza de choque que se puede aprovechar.

Se necesita una fuente con un flujo constante de agua con más de un metro de nivel con respecto al mecanismo, esta altura se llama altura de trabajo, este está formado básicamente por un tubo de entrada, llave de control, dos válvulas una de escape y otra de retención, un tanque de aire y un manguera de salida.

Cuando el caudal entra por el tubo de alimentación cerrando la válvula y este repentino cierre hace una gran presión en las paredes, así abriendo la otra válvula y así sucesivamente hasta que en el tanque de aire halla la suficiente presión como para bombear el caudal hasta una altura deseada.