Universidad De OrienteNcleo AnzoteguiEscuela de Ingeniera y
Ciencias AplicadasDepartamento de Mecnica
LABORATORIO DE INGENIERA MECNICA I(Golpe de Ariete)
Realizado por: Revisado por:Br. Alfredo Prez Prof.: Johnny
Martnez C.I.: 21540950Seccin: 02
Barcelona, febrero de 2013
RESUMEN
En la prctica denominada golpe de ariete se experiment el efecto
que produce este en las tuberas al momento de restringir el paso
del fluido mediante el cierre brusco de una vlvula, para ello se
utiliz un sistema de tuberas el cual estaba conectado con una
chimenea de equilibro, sta con el fin de disipar la energa presin
que adquiere el fluido al momento del cierre de la vlvula. Para la
realizacin del experimento se permiti el paso de una corriente de
agua a travs del sistema de tuberas y con ella medir tres (3)
volmenes diferentes con sus respectivos tiempos para luego calcular
el caudal promedio que circulaba por la tubera (este procedimiento
se repiti para 2 caudales adicionales), luego se cerr la vlvula
para observar y registrar la variacin de la altura en la chimenea
de equilibrio. Luego de culminar el experimento, con los valores
obtenidos de altura, tiempo y caudal se procedi a realizar una
grfica del cambio de altura en la chimenea con respecto al tiempo
para los diferentes caudales.
ii
CONTENIDO
Pg. Resumen ii Contenido. iii1. Introduccin... 42. Objetivos.
83. Materiales y equipos utilizados..... 94. Procedimiento
experimental 105. Resultados. 116. Anlisis de resultados.. 147.
Conclusiones 158.Bibliografa 16 9.Apndices 17 9.1Apndice A. Ejemplo
de clculos.. 17 9.2 Apndice B. Asignacin.. 18 9.3Apndice C. Anexos.
24
iii
1. INTRODUCCIN
1.1 Golpe de ArieteEl golpe de ariete (choque hidrulico) es el
incremento momentneo en presin, el cual ocurre en un sistema de
agua cuando hay un cambio repentino de direccin o velocidad del
agua. Cuando una vlvula de rpido cierre, cierra repentinamente,
detiene el paso del agua que est fluyendo en las tuberas, y la
energa de presin es transferida a la vlvula y a la pared de la
tubera. Las ondas expansivas se activan dentro del sistema. Las
ondas de presin viajan hacia atrs hasta que encuentran el siguiente
obstculo slido, luego continan hacia adelante, luego regresan otra
vez. La velocidad de las ondas de presin es igual a la velocidad
del sonido; esta viaja hacia adelante y hacia atrs, hasta que se
disipa por la prdida de friccin. Debido a esto se producen
vibraciones y otras consecuencias que pueden originar roturas,
aplastamientos y otras averas en las tuberas y sus equipos. [2]
1.2 Mtodos para controlar el Golpe de ArietePara la reduccin
delgolpedearietese tienen, bsicamente, dos posibilidades: actuar
sobre la fuente que produce la perturbacin o reducirla una vez que
sta se ha producido. Para evitar este efecto, existen diversos
sistemas: Para evitar losgolpes dearietecausados por el cierre de
vlvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido,
es decir, cortndola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo,
las vlvulas de asiento. Cuanto ms larga es la tubera, tanto ms
tiempo deber durar el cierre.
Cuando la interrupcin del flujo se debe a causas incontrolables
como, por ejemplo, la parada brusca de una bombaelctrica, se
utilizan tanques neumticos con cmara de aire comprimido, torres
piezomtricas o vlvulas de muelle que puedan absorber la onda de
presin, mediante un dispositivo elstico.
Otro mtodo es la colocacin de ventosas de aireacin,
preferiblemente trifuncionales (estos dispositivos son para
disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de
algn otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es
propio del fenmeno delgolpedeariete):
Primera funcin: introducir aire cuando en la tubera se extraiga
el fluido, para evitar que se generen vacos.
Segunda funcin: extraccin de grandes bolsas de aire que se
generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido
acabe reventando codos o, como es ms habitual en las crestas de las
redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire.
Tercera funcin: extraccin de pequeas bolsas de aire, debido a
que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema
que permite la extraccin de grandes cantidades y otra va para las
pequeas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa.
1.3 Dispositivos para reducir el efecto del golpe de ariete.
Volante de inerciaConsiste en incorporar a la parte rotatoria
del grupo de impulsin un volante cuya inercia retarde la prdida de
revoluciones del motor, y en consecuencia, aumente el tiempo de
parada de la bomba, con la consiguiente minoracin de las
sobrepresiones. Este sistema crea una serie de problemas mecnicos
mayores, cuanto mayor sea el peso del volante.Chimeneas de
equilibrioConsiste en una tubera de dimetro superior al de la
tubera, colocada verticalmente y abierta en su extremo superior a
la atmsfera, de tal forma que su altura sea siempre superior a la
presin de la tubera en el punto donde se instala en rgimen
permanente. Este dispositivo facilita la oscilacin de la masa de
agua, eliminando la sobrepresin de parada, por lo que sera el mejor
sistema de proteccin si no fuera por aspectos constructivos y
econmicos. Slo es aplicable en instalaciones de poca altura de
elevacin.
Vlvulas de alivio rpidoSon dispositivos que permiten de forma
automtica y casi instantnea la salida de la cantidad necesaria de
agua para que la presin mxima en el interior de la tubera no exceda
un valor lmite prefijado. Suelen proteger una longitud mxima de
impulsin el orden de 2 km. Los fabricantes suelen suministrar las
curvas de funcionamiento de estas vlvulas, hecho que facilita su
eleccin en funcin de las caractersticas de la impulsin.
Vlvulas anticipadoras de ondaEstas vlvulas estn diseadas para
que se produzca su apertura en el momento de parada de la bomba y
cuando se produce la depresin inicial, de tal forma que cuando
vuelva a la vlvula la onda de sobrepresin, sta se encuentre
totalmente abierta, minimizando al mximo las sobrepresiones que el
transitorio puede originar.
VentosasDependiendo de su funcin, permiten la eliminacin del
aire acumulado en el interior de la tubera, admisin de aire cuando
la presin en el interior es menor que la atmosfrica y la eliminacin
del aire que circula en suspensin en el flujo bajo presin.1.4
Eventos tpicos que causangolpedearieteCualquier sistema que
contenga un fluido en movimiento puede experimentar pulsaciones de
presin cuando el flujo vara. Esto se debe a que los cambios de
energa cintica se convierten en cambios de presin, que se propagan
en forma de ondas a travs del fluido.Las causas ms comunes son:
Maniobra de las vlvulas (apertura o cierre).
Parada o arranque de bombas y turbinas.
El funcionamiento de vlvulas anti-retorno, vlvulas reductoras de
presin, vlvulas limitadoras y vlvulas de admisin o escape de
aire.
Llenado o vaciado de la instalacin.En general, el fenmeno
aparecer cuando, por cualquier causa, en una tubera se produzcan
variaciones de velocidad y, por consiguiente, en la presin. [3]
2. OBEJETIVOS
Objetivos GeneralesEstudiar las fluctuaciones de la presin
causadas por el estrangulamiento rpido de una corriente lquida.
Objetivos Especficos Analizar la influencia del caudal en el
efecto del Golpe de Ariete.
3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS
3.1 Equipos. Chimenea de equilibrio.Marca: Pirex.Apreciacin:
0,01 ft.Capacidad: 8,18 ft.
Cilindro graduado.Marca: Pirex.Apreciacin: 20 ml.Capacidad: 2000
ml.
Tanque.
Sistema de Medicin de Golpe de Ariete: Marca: Norwood
Instruments LTD. Serial: 5 E1M 04 841.
3.2 Materiales. Agua. Sistema de tuberas.
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Se abri el tanque de agua dejando fluir el lquido.
2. Se medi el volumen en tres ocasiones utilizando el cilindro
graduado y se registr el tiempo, mediante un cronmetro, para cada
volumen.
3. Se calcul el caudal promedio con las medidas anteriores.
4. Luego de calcular el caudal se cerr la vlvula provocando as
que se llenara la chimenea debido al aumento de la presin.
5. Se observ y se registr las medidas de la variacin de la
altura de la columna de agua en la chimenea; al mismo tiempo se
registr el tiempo al llegar a los puntos mximos y mnimos.
6. Se realiz el procedimiento hasta que el nivel de la columna
de agua se quedara totalmente estable.
7. Luego se abri la vlvula y se repiti el mismo procedimiento
hasta obtener los datos con tres caudales diferentes (mximo, medio
y mnimo).
5. RESULTADOS
Tabla 5.1.- Datos obtenidos en la prctica.Condicin de la columna
de aguaCaudal Mayor
Caudal MedioCaudal Menor
Tiempo(sg)Altura(ft)Tiempo(sg)Altura(ft)Tiempo(sg)Altura(ft)
Inicial30,256,2225,796,2223,536,22
Mnimo40,576,0536,976,0532,986,05
Mximo50,826,1647,526,1644,236,16
Mnimo72,006,0858,446,0955,846,09
Mximo84,006,1469,006,1363,006,13
Mnimo95,006,1079,006,1076,006,10
Mximo107,006,1189,006,1285,006,13
Mnimo115,006,12104,006,1199,006,10
Mximo130,006,11113,006,12109,006,12
Mnimo137,006,12128,006,11117,006,11
Mximo138,006,12131,006,12
Tabla 5.2.- Caudales mximo, medio y mnimo.Tiempo (sg)Volumen
(ml)Caudal (m3/sg)
1,37000,000678
1,541140
1,881420
1,748400,00062
2,211460
1,951400
1,498000,000593
1,691100
2,511480
Figura 5.1.- Variacin de la altura con respecto al tiempo
(Caudal Mayor).
Figura 5.2.- Variacin de la altura con respecto al tiempo
(Caudal Medio).
Figura 5.3.- Variacin de la altura con respecto al tiempo
(Caudal mnimo).
6. ANLISIS DE RESULTADOS
En la figura 5.1; figura 5.2 y figura 5.3 se puede apreciar la
variacin de la altura mostrada por la chimenea de equilibro con
respecto al tiempo. En ella se puede observar como vara la altura
debido al efecto de golpe de ariete ya que al cerrar la vlvula este
efecto genera una onda elstica que se desplaza contraria al fluido,
choca y luego se devuelve a la vlvula, esta va comprimiendo las
partculas de agua que van adelante, lo que llena y dilata la
tubera, aumentando la presin en un extremo y disminuyendo en el
otro; el paso de esta por la chimenea aumenta la altura y luego
baja generando la variacin, despus por el efecto de contragolpe o
depresin regresa; al pasar nuevamente por la chimenea vuelve a
subir. El ciclo se repite hasta que se estabiliza ya que la vlvula
sigue cerrada. En la tabla 5.1 se encuentras los valores obtenidos
en la prctica, en ella se puede observar que a mayor caudal mayor
ser el tiempo para que la columna de agua pueda alcanzar las
alturas en la chimenea y para que la misma se estabilice.Los
errores cometidos al momento de registrar los valores de las
mediciones de altura, volumen o tiempo, se le puede atribuir a la
poca sincronizacin al momento de leer la altura y cronometrar el
tiempo de la misma. Estos errores tambin se le pueden atribuir a
las apreciaciones de los instrumentos as como tambin a la
apreciacin de humana al momento de tomar la medida.
7. CONCLUSIONES
1. El tiempo que se necesita para estabilizar el fluido depende
de cada caudal.
2. Se demostr que al cerrar bruscamente la vlvula en una tubera,
se produce el efecto de golpe de ariete.
3. A medida que transcurre el tiempo la deformacin de la tubera
y la viscosidad del fluido disipan la energa y las oscilaciones,
hasta que alcanzan el equilibrio.
4. Es importante al momento de disear las tuberas tomar en
cuenta las consideraciones y efectos que se conocen del golpe de
ariete.
8. BIBLIOGRAFA
1. Claudio Mataix. Mecnica de los fluidos y mquinas hidrulicas,
segunda edicin. Editorial Alfaomega Oxford.
2. Golpe de Ariete. Disponible en la pgina web:
http://www.uclm.es/area/ing_rural/Trans_hidr/Tema10.PDF. Revisado:
11/02/13
3. Mott, Robert. Mecnica de los Fluidos. Cuarta Edicin. Prentice
Hall. Mxico, 1996.
9. APNDICESApndice A: Ejemplo de clculos. Calculo del Caudal
Mayor.Haciendo un promedio de los caudales obtenidos: =
Calculo del Caudal Medio. Haciendo un promedio de los caudales
obtenidos:
= 6,2
Calculo del Caudal Medio. Haciendo un promedio de los caudales
obtenidos:
= 5,93
Apndice B. Asignacin
1. Explique el significado del trmino Golpe de Ariete y que
representa.El Golpe de Ariete es un trmino utilizado para describir
el incremento repentino de presin relacionado con los incremento o
disminucin de la velocidad del flujo, creada por el cierre rpido,
arranque o cambio de direccin de este en un sistema de tubera, es
decir, se podra definir al fenmeno de Golpe de Ariete como la
oscilacin de presin por encima o debajo de la normal a raz de las
rpidas fluctuaciones de la velocidad del escurrimiento. Este
fenmeno se produce en los conductos al cerrar o abrir una vlvula y
al poner en marcha o parar una maquina hidrulica, o tambin al
disminuir bruscamente el caudal.Si se cierra la vlvula rpidamente,
en virtud del principio de conservacin de la energa, al disminuir
la energa cintica, esta se va transformando en un trabajo de
compresin del fluido que llena la tubera y en el trabajo necesario
para dilatar esta ltima, se ha producido una sobrepresin, o un
golpe de ariete positivo. Por el contrario, al abrir rpidamente una
vlvula se puede producir una depresin, o golpe de ariete
negativo.El golpe de ariete aparece en las redes de tuberas cuando
el estado de flujo permanente es perturbado mediante la modificacin
de la velocidad del flujo. En general, el cambio en la velocidad
del flujo puede ser causado por la apertura o cierre de vlvulas,
falla de mecanismos hidrulicos, partida / parada de bombas, entre
otros [1].
2. Nombre y explique los factores que afectan las ondas de
presin que se producen al estrangular una corriente lquida.
Para que se de este fenmeno de golpe de ariete deben darse
ciertas condiciones y sus efectos dependern de las mismas. Entre
los aspectos que ms influyen en las ondas de presin que se forman
son: Tiempo de parada: El valor del tiempo de parada influye en el
golpe de ariete de modo que a menor tiempo, mayor golpe. Por lo
tanto el efecto de las ondas de presin son ms evidentes y marcados
[1]. Longitud de la tubera: La fuerza del golpe de ariete es
directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las
ondas de sobrepresin se cargarn de ms energa [1]. Celeridad:
corresponde a la velocidad del sonido dentro del sistema, la cual
depende del dimetro, espesor y elasticidad de la tubera, as como de
la densidad y compresibilidad del lquido. Los valores de las
presiones surgidas en un golpe de ariete, estn en razn directa del
cambio brusco de velocidad del lquido [1].
3. Investigue las ecuaciones que rigen el Golpe de Ariete.El
estudio del golpe de ariete fue hecho en primer lugar por
Joukowski, mientras que la solucin completa del problema fue dada
por Allievi. [1]El clculo de la sobrepresin depende del tiempo de
cierre de la vlvula , el cual puede ser: Instantneo: . Caso terico,
fsicamente imposible; pero explica la esencia del fenmeno.
Rpido:. La presin mxima es la misma que en el cierre instantneo;
aunque la curva de presiones en la tubera en funcin del tiempo ser
distinta. En el cierre rpido una onda de presin no tiene tiempo de
ir al estanque, reflejarse y volver a la vlvula, antes de que
termine medio ciclo.
Lento:. la presin mxima es menor que en los otros casos, porque
la depresin de la onda elstica llega a la vlvula antes de que se
complete el medio ciclo e impide el aumento ulterior de la
presin.Presin mxima en cierre total o parcial instantneo de la
vlvula en una tubera elstica.Si el cierre de la vlvula es
instantneo, el fluido se decelera, lo que da lugar a una fuerza de
inercia , siendo:
Donde t no es el tiempo de cierre de la vlvula, sino el tiempo
finito que ha transcurrido para que una cierta masa de fluido que
ocupa una longitud finita de tubera (l) reduzca su velocidad un
cierto valor finito v.
En el cierre total .
En el cierre parcial .
Donde v es la velocidad final del fluido. Sustituyendo se
tiene:
En el cierre total
En el cierre parcial
Donde l es la longitud recorrida por la onda elstica a partir de
la vlvula en el tiempo t. Por otra parte la sobrepresin ser:
Siendo, entonces:
La velocidad de propagacin o celeridad de la onda. Sustituyendo
se obtiene finalmente la formula de Joukowski:
Sobrepresin en cierre instantneo total de la vlvula:
Sobrepresin en cierre instantneo parcial de la vlvula:
Presin mxima en cierre lento uniforme total de una vlvula en una
tubera rgidoEn el cierre lento se supone para simplificar, que la
tubera es rgida, o sea indeformable, y que el cierre de la vlvula
es uniforme.Considerando la fuerza de inercia debida a la
deceleracin del fluido que circula por una tubera de seccin A,
longitud L con velocidad v en el tiempo de cierre de la vlvula
(tc):
Y anlogamente al caso anterior:
Pero,
Luego,
Modificando esta frmula con un coeficiente k, para tener en
cuenta el efecto de la elasticidad de la tubera, se tiene la
formula de la sobrepresin en cierre lento de una vlvula:
De esta ecuacin se deduce el peligro del golpe de ariete es
tanto mayor:
Cuanto mayor sea la longitud de la tubera.
Cuanto mayor sea la velocidad del lquido en la tubera.
Cuanto ms rpido sea el cierre de la vlvula.
Jowkowski, adems, descubri la formula que permite calcular la
celeridad de la onda de presin en una tubera, la cual es:
Donde;C: Es la celeridad de la onda elstica del fluido en la
tubera, en m/sg.E0: Es el modulo de elasticidad de volumen del
fluido, en N/m2.: Es la densidad del fluido, en Kg/m3.D: Es el
dimetro de la tubera, en metros.E: Es el modulo de elasticidad del
material de la tubera.: Es el espesor de la tubera en metros.
Apndice C: Anexos
Figura C.1.- Chimenea de equilibrio.
Figura C.2.- Sistema de medicin de Golpe de Ariete.
Figura C.3.- Cilindro graduado.24
