SECCIÓN 1: GOLPE DE ARIETE

Impulsión de Aguas Residuales: Golpe de Ariete en Tuberías de Impulsión
SECCIÓN 1: GOLPE DE ARIETE
INTRODUCCIÓN
El golpe de ariete o transitorio, consiste en una oscilación de la presión que se propaga
por la conducción y se amortigua con el tiempo cuando se produce un cambio de régimen. El
cambio puede ser gradual o instantáneo.
La causa del cambio de régimen, puede ser originada por la puesta en marcha o parada
de las bombas, por el cierre o apertura de válvulas o incluso debido a una variación de la
velocidad y por tanto del caudal.
El cambio de presión originado por el cambio de régimen, puede dañar la tubería si no
se ha tenido en cuenta, ya sea por aplastamiento o por rotura. Es importante evaluar la cuantía
del golpe de ariete y dimensionar adecuadamente la tubería por la inversión realizada.
EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO
Supongamos una tubería de sección constante en la que circula un caudal determinado,
al cerrar instantáneamente una válvula colocada a cierta distancia de A en B.
LP después
del golpe
∆H = ∆p/γ
-ÄH
LP antes del
golpe
-ÄH
LP después
del golpe
A
B
C
fig. 9.1
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Las partículas fluidas aguas arriba de la válvula chocan contra ella, su velocidad
desciende bruscamente a cero. La primera rebanada de fluido aguas arriba de la válvula se
queda parada, con velocidad cero. La segunda rebanada comprime a esta, pero a su vez la
tercera comprime a las dos anteriores y así sucesivamente hasta llegar al punto A. En B aparece
un aumento de presión ∆p que se propaga aguas arriba como una onda hasta A con velocidad c
(fig. 9.1).
El aumento de presión es como un golpe que se produce en el interior de la conducción,
audible en la mayoría de los casos.
El fenómeno se produce simultáneamente pero inversamente aguas abajo del cierre de la
válvula (fig.9.1), en la dirección BC, la primera rebanada de fluido tiende por inercia a
continuar hacia C, al estar la válvula cerrada, se crea un vacío al separarse, se comporta como
un émbolo que succiona originando una presión negativa que se conoce como golpe de ariete
negativo -∆p, dando lugar a presiones inferiores a la atmosférica, incluso próximas al cero
absoluto, aplastando la tubería (fig.9.2) si no esta preparada para soportarlo.
Suele aparecer una rotura longitudinal y banda blanca por deformación
a flexión transversal en las tuberías de PVC
fig. 9.2
En la apertura de una válvula se origina el mismo fenómeno a la inversa, aguas arriba
golpe de ariete negativo y positivo aguas abajo.
OSCILACIONES DE PRESIÓN EN LA CONDUCCIÓN
Estudiemos las oscilaciones de la presión en la tubería para diferentes tiempos
originados por un golpe con cierre de válvula.
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instante t = 0
Como hemos dicho, al cerrar la válvula en B, aparece el golpe ∆p . El aumento de
presión se transmite en sentido BA, con velocidad c (fig. 9.3).
H
LP
A
B
fig. 9.3
instante t = (L/2)/c
La onda ha recorrido una longitud mitad de la conducción L/2 se encuentra en M.
LP
H
LP
A
M
V
V=0
B
fig. 9.4
En el tramo MB (fig. 9.4) la velocidad es V = 0. Todas las rebanadas de este tramo se
han quedado en reposo y comprimidas. La tubería está dilatada en este tramo BM por efecto del
aumento de presión. En el resto, tramo AM el fluido se comporta normal, ya que la onda no ha
llegado aún, el fluido continua circulando con velocidad V.
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instante t = L/c.
LP
H
A
B
fig. 9.5
La onda ha llegado al punto A. Toda la tubería se encuentra dilatada, por efecto de la
sobrepresión ∆H. En B la presión será la estática H + ∆H .Todo el fluido se encuentra en reposo
y comprimido en este instante. El momento de mayor riesgo para la conducción, el momento
crítico (fig. 9.5).
En A no puede existir ninguna presión que no sea la correspondiente a h (altura del
nivel de agua en el depósito). En este punto desaparece el golpe por la expansión del fluido al
entrar en el depósito. De esta manera se inicia un flujo hacia el deposito a la vez que la presión
se va estabilizando.
instante t = (3L / 2)/c
LP
H
LP
H
A
M
V
V=0
fig. 9.6
B
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Como consecuencia de la expansión del flujo del caso anterior la onda estabilizadora
retorna a M. La onda ha recorrido una longitud 1,5L . No ha alcanzado todavía el tramo MB en
el retorno, sigue con el exceso de sobrepresión y en reposo, velocidad cero como en el instante t
= (L/2)/c.
Sin embargo la dirección del flujo ha cambiado, no existe consumo de energía, al
contrario, por tanto la LP tomará una posición ascendente (fig.9.6).
instante 2L/c.
LP
H
A
V
B
fig. 9.7
La onda estabilizadora llega a B, ha recorrido dos veces la longitud de la tubería. Todo
el fluido de la tubería se dirige hacia el depósito con velocidad V. La velocidad es teóricamente
la misma del principio, la original antes de producirse el golpe, con dirección contraria
(fig.9.7).
Cuando la onda estabilizadora alcanzó B, trató de separar la primera rebanada de fluido.
Ello hace que se forme una presión negativa, por tratar de succionar, desciende la presión una
cantidad - H del golpe inicial. Esta onda de depresión se propagará a continuación en el sentido
BA.
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instante t = (5L/2)/c.
LP
H
LP
A
M
V
V=0
B
fig. 9.8
La onda de depresión se transmite hasta el punto M. El tramo MB está contraído y el
tramo AM continua con velocidad V hacia el depósito, la onda de depresión aún no ha llegado
(fig.9.8).
instante t = 3L/ c
H
A
LP
V=
0
B
fig. 9.9
La onda de depresión llega a A. El fluido de toda la tubería se encuentra expandido y en
reposo. En A se inicia un flujo en dirección a B que irá estabilizando la presión. (fig. 9.9)
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instante t = 7 L / 2 c.
LP
LP
A
M
V
V=0
B
fig. 9.10
La onda estabilizadora llega a M. En el tramo AM hay flujo con velocidad V y en el tramo MB
todavía no ha llegado el restablecimiento, el fluido se encuentra en reposo y expandido (9.10).
instante t = 4L/c.
LP
A
V
B
fig. 9.11
La onda alcanza B. Nos encontramos en la misma situación que al principio (fig.9.11).
A partir de aquí se va repitiendo el proceso. En cada proceso hay disipación de energía,
el efecto va disminuyendo, todo el golpe es similar cualitativamente, pero cuantitativamente
inferior cada vez.
En definitiva, el golpe de ariete sigue una ley periódica de compresiones y depresiones
que se amortigua con el tiempo.
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