Universidad de Oriente

Núcleo- Anzoátegui

Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas

Departamento de Mecánica

Laboratorio de Ingeniería Mecánica I

Golpe de Ariete

Realizado por: Revisado por:

ACEVEDO, Mariana Profesor: MARTÍNEZ, Johnny C.I.:19316424 Sección: 02

Barcelona, 16 de Febrero de 2011

Índice

Pág.

I. Objetivos 3

II. Introducción 4

III. Facilidades Experimentales 5

IV. Procedimiento Experimental 6

V. Resultado 7

VI. Análisis de Resultados 8

VII. Conclusiones 9

VIII. Recomendaciones 10

IX. Bibliografía 11

X. Apéndice 12

Apéndice A. Ejemplos de Calculo 12

Apéndice B. Asignación 15

Apéndice C. Anexos 20

2

I. Objetivos

Objetivo General:

Estudiar las fluctuaciones de la presión causadas por el estrangulamiento rápido de una corriente liquida.

Objetivos Específicos:

Analizar la influencia del caudal en el efecto del Golpe de Ariete.

3

II. Introducción

Se llama golpe de ariete o pulso de Joukowski a una modificación de la presión en una conducción debida a la variación del estado dinámico del líquido, es el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas al igual que la cavitación y debe su nombre al ingeniero ruso Nikolay Egorovich Zhukovskiy, [1].

En el golpe de ariete ocurren fluctuaciones de presión que pueden ser lo suficientemente agravantes como para romper la tubería de agua. Al evaluarse el diseño de las tuberías y cuando se realiza un análisis detallado de las oscilaciones de presión, así como también, para evitar malos funcionamientos en el sistema de distribución, deben ser considerados los problemas potenciales del golpe de ariete. Este fenómeno y su significado tanto para el diseño como para la operación de los sistemas de agua, no es ampliamente entendido, como demuestra por el número y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete [2].

Para los ingenieros es muy importante, el estudio de este fenómeno transitorio, debido a que permite tomar las medidas necesarias para prevenir fallas en los sistemas de tuberías al igual que el reemplazo de las mismas para evitar el colapso de dicho sistema de tuberías.

III.Facilidades Experimentales

4

Equipos:

Sistema de medición de Golpe de ArieteMarca: Norwood Instruments LTDSerial: 11222

Chimenea de EquilibrioApreciación: ±0,01 piesCapacidad: 8,7 pies

Cilindro GraduadoApreciación: ±20mlCapacidad: 2000ml

Cronometro (Teléfono Celular)Marca: desconocida Modelo: desconocidoApreciación: ±0,01 s

Materiales:

Agua

IV. Procedimiento Experimental

5

1. Tomar registro la apreciación de los instrumentos de medición a emplear (cilindros graduados),del sistema de tuberías.

2. Abrir la válvula para dejar fluir el agua que se encuentra en el tanque, eliminando así las obstrucciones.

3. Fijar un caudal inicial, el cual se calcula de acuerdo al volumen de agua desalojado con respecto al tiempo, para ello se emplea cronometro y cilindro graduado.

4. Cerrar la válvula, para lograr un aumento de presión lo que hace que el fluido llene el cilindro graduado del montaje.

5. Observar el proceso generado en (4), hasta que se aprecie la oscilación del nivel alcanzado por el fluido; debido a las ondas reflectadas por el choque con el cierre de la tubería.

6. Medir los niveles máximos y mínimos alcanzados durante la oscilación descrita en (5), registrar a la vez el tiempo en llegar a cada uno.

7. Detener la medición cuando el fluido tenga un nivel estable.

8. Repetir los pasos anteriores para tres caudales diferentes, disminuyendo el flujo.

V. Resultados

6

0 20 40 60 80 100 120 140 160

5.9

5.95

6

6.05

6.1

6.15

6.2

6.25

6.3

Caudal 1 : 930 ml/s caudal 2=820,76 ml/s caudal3:656,59ml/s

Tiempo (s)

Altu

ra (p

ies)

Figura 1. Grafica de Altura alcanzada Vs. Tiempo para los caudales estudiados.

VI. Análisis de Resultados

7

El comportamiento de tres caudales tomando 11 medidas para cada uno de ellos sin parar el cronometro durante la medición arrojo una conducta oscilante del fluido debido a los choque y la velocidad del flujo de agua, una vez que se cerraba la válvula de paso.

También se aprecia que el fluido necesita de un tiempo más prolongado para estabilizarse cuando el caudal que circula por la tubería es mayor y dicho tiempo se acorta a medida que se reduce el caudal.

A medida que transcurre el tiempo, disminuye la altura que alcanza el flujo de agua, puesto que los impactos a los que se somete el fluido van cesando hasta equilibrase. La mayor altura alcanzada fue de 6,24 pie, y corresponde a los primeros 24,3 segundos de medición con el caudal#3, sin embargo, para los dos (2) caudales anteriores fue 6,23pie, esta altura la alcanzo el caudal#1 en 29,2 segundo y el caudal#2 en 26,1 segundo, es decir, que para el caudal#1 el tiempo para alcanzar dicha altura máx; fue mayor que para el caudal #2 y para el caudal #3 este ultimo, tomando en considerando tal vez un pequeño error de medida puesto que la diferencia de alturas es bastante pequeño

VII.Conclusiones

8

Mientras mayor sea el caudal el tiempo que tarda la columna de fluido en volver al estado de reposo, será mayor.

Las alturas alcanzadas disminuyen a medida que se disminuye el fluido.

El promedio general de las alturas que alcanza el flujo es levemente menor al disminuir el caudal.

A menor caudal el tiempo en estabilizar el flujo también menor, es decir, es directamente proporcional.

VIII. Recomendaciones

9

Limpiar la chimenea de medición, ya que presenta ciertas obstrucciones lo que dificulta la medición.

Tener buena sincronización en la lectura de medidas con respecto al tiempo para tener unos resultados más exactos.

10

IX. Bibliografía

[1]……………….

“Golpe de Ariete”

En: http://es.wikipedia.org/wiki/Golpe_de_ariete

[2] LAHLOU, M

“Golpe de Ariete”

En: http://www.nesc.wvu.edu/pdf/dw/publications/ontap/2009_tb/spanish/water_hammer_DWFSOM141.pdf

[3]……………….

“Tema 6. Golpe de Ariete”

En: http://www.inea.uva.es/web/materiales/web/riego/temas/tema6/tema6.htm

[4]……………….

“Golpe de Ariete”

En: http://html.rincondelvago.com/golpe-de-ariete.html

11

X. Apéndices

Apéndice A. Ejemplos de Cálculo:

Calculo del 1er caudal:

Q=Volumentiempo

Se calculo tres veces este caudal y luego se promedio el resultado:

EJEMPLO DE CÁLCULO:

2do Caudal:

Q2a=11401,38

=826,09ml/ s

Q2b=17202,18

=788.99ml /s

Q2c=12201,44

=847,22ml/ s

Q2=826,09

mls

+788,99mls

+847,22 mls

3

Q2=820,76ml/ s

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Apéndice B. Asignación

1. Explique el significado del término Golpe de Ariete y que representa.

Se llama golpe de ariete a una modificación de la presión en una conducción debida a la variación del estado dinámico del líquido.

En las paradas de las bombas, en el cierre de las válvulas, etc., se produce esta variación de la velocidad de la circulación del líquido conducido en la tubería.

En el caso de una tubería de transporte de agua el golpe de ariete se manifiesta como el aumento brusco de la presión de agua que se produce dentro de la tubería. El golpe de ariete hidráulico se produce en la tubería de suministro de agua cuando una válvula o una canilla se cierran rápidamente. El agua circulante golpea de forma la válvula o la canilla cerrada y rebota como una onda. Este rebote continúa hasta que el agua golpea un punto de impacto y la energía proveniente de la onda de agua se distribuye más uniformemente en el sistema de tuberías. El punto de impacto, que puede estar en la conexión entre dos caños o en una junta de un sistema de tuberías, provoca el sonido "estrepitoso" que a veces se oye en los caños [3].

La fuerza de inercia del líquido en estado dinámico en la conducción, origina tras el cierre de válvulas, unas depresiones y presiones debidas al movimiento ondulatorio de la columna líquida, hasta que se produzca el paro de toda la masa líquida. Las depresiones o sobre presiones empiezan en un máximo al cierre de válvulas o parada del motor, disminuyendo hasta el final, en que desaparecerán, quedando la conducción en régimen estático.

En el valor del golpe de ariete influirán varios factores, tales como la velocidad del tiempo de parada, que a su vez puede ser el cierre de la válvula de compuerta o el paro del motor. Otros factores serían: la velocidad del agua dentro de la conducción, el diámetro de la tubería, etc. [4].

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2. Nombre y explique los factores que afectan las ondas de presión que se producen al estrangular una corriente liquida.

El arranque de la bomba: puede inducir un colapso rápido del espacio vacío que existe aguas abajo de la bomba.

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. 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.

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 [2].

En el caso del cerrado de válvulas de una tubería influye, entre otros:

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El Tiempo de parada: Al detener una corriente de flujo en una tubería, el valor del tiempo de parada influye en el golpe de ariete de modo que a menor tiempo, mayor golpe. Se debe no sólo al cierre de las válvulas, sino también al paro del motor que acciona a la bomba de la conducción y por consiguiente siempre tendremos la obligación de su cálculo.

La velocidad del fluido en movimiento: mientras mayor sea la velocidad, mayor será el impacto que se ocasionara al chocar con la tubería cerrada.

La longitud de la tubería: el incremento del impacto del golpe de ariete es proporcional a la longitud de la tubería.

3. Investigue las ecuaciones que rigen el Golpe de Ariete.

Cierre total o parcial en una tubería elástica:

Al cierre instantáneo de la válvula, el fluido sufre una brusca deceleración, de forma que se genera una fuerza de inercia, según:

F i=−m ΔVΔt

Donde:

Δt No es tiempo de cierre de la válvula, sino el tiempo finito que ha transcurrido para que una cierta masa que ocupa una longitud finita de tubería, reduzca su valor un cierto valor finito ΔV

En el cierre total: ΔV=−V

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En el cierre parcial: ΔV=−V ´−V (donde V ´ es la velocidad final del fluido)

Agrupando estas consideraciones en la expresión de la fuerza de inercia, y teniendo en cuenta que la sobrepresión quede definida por:

ΔP=FiA

Y que, la celeridad de la onda es:

a= lΔt

Se obtienen las fórmulas de Joukowski:

ΔP=ρaV (Sobrepresión en cierre instantáneo total de la válvula)

ΔP=ρa(V−V ´ ) (Sobrepresión en cierre instantáneo parcial de la válvula)

Velocidad de propagación de ondas de velocidad y presión:

Joukowski también fue el primero en desarrollar una expresión para el cálculo de la velocidad de onda en función de los parámetros de la instalación. En definitiva:

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a=√ Kρ

1+ KDEδ

Donde:

• a : es la celeridad de la onda elástica del fluido en la tubería, [m/s] –SI.

• K : es el módulo de elasticidad del fluido (módulo de Bulk), [N/m2] –SI.

• ρ : es la densidad del líquido, [kg/m3] –SI.

• D: es el diámetro de la tubería, [m] – SI.

• E: es el módulo de elasticidad de la tubería, [N/m2] – SI.

• δ :es el espesor de la tubería, [m] –SI

Presión máxima en cierre total, lento y uniforme de la válvula.

ΔP=K ρLVt c

K : Modulo de elasticidad de la tubería

L: Longitud de la tubería

V: velocidad de la partícula de fluido

t c : Tiempo de cerrado

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Esta ecuación, rige el proceso en la mayoría de los casos

Apéndice C. Anexos

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