golpe de ariete 2012_2 para pdf
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA
GOLPE DE ARIETE TRANSITORIOS EN ABASTECIMIENTO POR GRAVEDAD
GUILLERMO A. CORDOVA JULCA
GOLPE DE ARIETE
TRANSITORIOS EN ABASTECIMIENTO POR GRAVEDAD (*)
1. DESCRIPCION DEL FENOMENO
(*) EL GOLPE DE ARIETE, cáp. 10.
Cátedra de Ingeniería Rural, Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de Ciudad Real
2. VALOR DE LA CELERIDAD
3. TIEMPO DE CIERRE DE LA VALVULA. CIERRE LENTO Y CIERRE RAPIDO
4. CALCULO DE LA SOBREPRESION PRODUCIDA POR EL GOLPE DE ARIETE. FORMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVI
5. CONTROL DEL GOLPE DE ARIETE EN ABASTECIMIENTO POR GRAVEDAD
6. MODELACION DE FENOMENOS TRANSITORIOS EN TUBERIAS CON DYAGATS v2
7. MODELACION DE FENOMENOS TRANSITORIOS EN REDES HIDRAULICAS CON DiagastING v1
8. BIBLIOGRAFIA
9. MISCELANIA
1. DESCRIPCION DEL FENOMENO
El fenómeno de Golpe de Ariete o Transitorio consiste en la alternancia
de sobrepresiones y depresiones debido al movimiento oscilatorio del
agua en el interior de la tubería.
Estas variaciones de presión se presentan en sistemas de
abastecimiento por gravedad y en líneas de impulsión.
La evaluación correcta del golpe de ariete en la tubería:
Evita el sobredimensionamiento de la tubería para no encarecer
el sistema.
Evita el subdimensiomiento para no causar la falla del sistema.
Las sobrepresiones se consideran en el dimensionamiento de la tubería
y las subpresiones no lo afectan tanto sobre todo si son diámetros
pequeños. Las subpresiones están más asociadas al fenómeno de
cavitación.
Para mitigar y/o prevenir los efectos en los sistemas se instalan
accesorios como válvulas.
Este valor se adiciona (sobrepresión) o resta (subpresión) al valor de la
presión estática.
1. DESCRIPCION DEL FENOMENO …
Para el análisis de los transitorios se divide en:
1.1 TRANSITORIOS EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDAD
1.2 TRANSITORIOS EN IMPULSIONES
Como el agua es algo compresible, empezará a comprimirse en las
proximidades de la válvula, y el resto del líquido comprimirá al que le precede hasta que se anule su velocidad. Esta compresión se va trasladando hacia el origen conforme el agua va comprimiendo al límite la que le precede, de manera que al cabo de un cierto tiempo todo el agua de la tubería está en estas condiciones, concluyendo la primera etapa del golpe de ariete.
1. DESCRIPCION DEL FENOMENO …
Si el agua se mueve por una tubería con una velocidad determinada y mediante una válvula se le corta el paso totalmente, el agua más próxima a la válvula se detendrá bruscamente y será empujada por la que viene detrás.
En definitiva, se forma una onda de máxima compresión que se
inicia en las proximidades de la válvula y se traslada al origen. La
energía cinética que lleva el agua se transforma en energía de
compresión.
1.1 TRANSITORIOS EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDAD
1. DESCRIPCION DEL FENOMENO …
Cuando el agua se detiene, ha agotado su energía cinética y se
inicia la descompresión en el origen de la conducción
trasladándose hacia la válvula, y por la ley pendular esta
descompresión no se detiene en el valor de equilibrio, sino que lo
sobrepasa para repetir el ciclo. Esta descompresión supone una
depresión, que retrocede hasta la válvula para volver a
transformarse en compresión, repitiendo el ciclo y originando en el
conducto unas variaciones ondulatorias de presión que
constituyen el golpe de ariete.
1.1 TRANSITORIOS EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDAD…
En definitiva, se producen transformaciones sucesivas de energía
cinética en energía de compresión y viceversa, comportándose el
agua como un resorte.
1. DESCRIPCION DEL FENOMENO …
1.1 TRANSITORIOS EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDAD…
CIERRE DE VALVULA DE INGRESO AL RESERVORIO
En definitiva, se producen transformaciones sucesivas de energía cinética en energía de compresión y viceversa, comportándose el agua como un resorte.
Water Hammer
1. DESCRIPCION DEL FENOMENO DEL GOLPE DE ARIETE EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDAD …
CELERIDAD (c)
Es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del
agua contenida en la tubería. Este valor depende las características
geométricas y mecánicas de la conducción así como de la
compresibilidad del agua.
9900
48.3
cD
ke
k: coeficiente función de la relación del módulo de elasticidad volumétrica
del agua y el módulo de elasticidad de Young (e) del material constitutivo
de la tubería 1010
tuberia
kE
c : celeridad de la onda [m/s]
D : diámetro interior de la tubería [m]
e : espesor de la pared de la tubería [m]
La ecuación de Lorenzo Allievi es una ecuación práctica que permite
determinar rápidamente la celeridad cuando el fluido es agua:
2. VALOR DE LA CELERIDAD
CELERIDAD (c) …
2. VALOR DE LA CELERIDAD …
MATERIAL DE LA TUBERIA MODULO DE YOUNG DE LA
TUBERIA Etubería (kg/m2) k
Palastros de hierro y acero 2 * 1010 0.5
Fundición 1010 1
Hormigón (sin armar) 2 * 109 5
Fibrocemento 1.85 * 109 5.5 (5 – 6)
PVC 3 * 108 33.3 (20 -50)
PE baja densidad 2 * 107 500
PE alta densidad 9 * 107 111.11
VALORES DE k PARA EL CALCULO DE c
VELOCIDAD DE PROPAGACION DE LA ONDA DE PRESION (a) …
Para tuberías deformables:
[1 ( / )( / )]
B
B
Ec
E E d e
c : velocidad de la onda de presión [m/s]
EB : módulo de elasticidad volumétrico del fluido [Pa]
E : módulo elástico (módulo de Young) del material de la tubería [Pa]
r : densidad del fluido [kg/m3]
d : diámetro exterior de la tubería [mm]
e : espesor de la pared de la tubería [mm]
2. VALOR DE LA CELERIDAD …
2. VALOR DE LA CELERIDAD …
1 Pa = 1 x 10 -6 bars = 0.101972 kg/m2
TIEMPO DE PROPAGACION DE LA ONDA DE PRESION
El tiempo de propagación desde la válvula hasta la embocadura
de la tubería de ida y vuelta:
2p
LT
c
Tp : tiempo de propagación, fase o período de la tubería [s]
L : longitud de la tubería [m]
3. TIEMPO DE CIERRE DE LA VALVULA. CIERRE LENTO Y CIERRE RAPIDO
DETERMINACION DE LA POSIBILIDAD DE GOLPE DE ARIETE
EN LA CONDUCCION
Siendo Tc= tiempo de cierre de la válvula(s) o de maniobra,
cuando se compara con el tiempo de propagación Tp:
2c P
LT T
c
Cierre Rápido
Equivale a un cierre instantáneo, ya que el tiempo
de recorrido de ida y vuelta de la onda de presión
es superior al del cierre. Se produce Golpe de Ariete.
2c P
LT T
c
Cierre Lento
No se produce Golpe de Ariete dado que la onda de
presión regresará a la válvula sin que esta se
encuentra totalmente cerrada.
CASO TEORICO CASO REAL
t
H
2p
LT
c
t
3. TIEMPO DE CIERRE DE LA VALVULA. CIERRE LENTO Y CIERRE RAPIDO…
4. CALCULO DE LA SOBREPRESION PRODUCIDA POR EL GOLPE DE ARIETE. FORMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVI
Cierre Lento (Tc>Tp)
Michaud propuso la primera ecuación para valorar el golpe de
ariete en la que no se considera la compresibilidad del agua y
la elasticidad de la tubería: 1 2* * *P
C C
TcV cV LH
g T g T c
DH : sobrepresión debida al golpe de ariete [mca]
L : longitud de la tubería [m]
V : velocidad del régimen del agua [m/s]
Tc : tiempo de cierre o de maniobra [m]
g : constante de aceleración de la gravedad [m/s2]
2
C
LVH
gT2
C
LVH
gT
LDISTRIBUCION DE LA PRESION
POR MANIOBRA LENTA
Esta ecuación permite determinar el tiempo de maniobra necesario
para que la sobrepresión no supere el valor límite establecido
según la clase de tubería.
Cierre Rápido (Tc<Tp)
Para una maniobra rápida se utiliza la
ecuación de Allievi:
cVH
g
DH : sobrepresión debida al golpe de ariete [mca]
L : longitud de la tubería [m]
V : velocidad del régimen del agua [m/s]
Tp : tiempo de propagación [m]
g : constante de aceleración de la gravedad [m/s2]
cVH
g
LDISTRIBUCION DE LA PRESION
POR MANIOBRA RAPIDA
2
PcTL
CALCULO DE LA SOBREPRESION OCASINADA POR EL GOLPE DE
ARIETE EN LA CONDUCCION …
5. CONTROL DEL GOLPE DE ARIETE EN SISTEMAS A
GRAVEDAD
5.1 Adecuada selección de la válvulas y ley de cierre.
5.2 Válvulas de alivio o antiariete.
5.3 Chimenea de equilibrio.
5.4 Cámara de aire o botellones antiariete.
5.5 Válvulas de aire (presiones negativas).
5.6 Válvulas de control con velocidad de cierre no uniforme.
La selección de los dispositivos adecuados son función del
tipo de instalación y del material de la tubería (rígida o flexible).
Grupo FluIng – IMM – Universidad Politécnica de Valencia
Dyagats v2
DISEÑO y ANALISIS DE GOLPE DE ARIETE EN TUBERIA SIMPLE por Ingenious Ware
• El programa permite modelar
una tubería simple analizando
el fenómeno transitorio
mediante el método de las
características..
• Igualmente, permite incluir en
el modelo diversos elementos
tales como bombas, válvulas
de control, ventosas, tanques,
calderines, etc, logrando que el
modelo se aproxime a la
conducción diseñada.
6. MODELACION DE FENOMENOS TRANSITORIOS EN TUBERIAS
CON Dyagats v2
Dyagats v2
DISEÑO y ANALISIS DE GOLPE DE ARIETE EN TUBERIA SIMPLE por Ingenious Ware
DATOS DE ENTRADA
1. Perfil longitudinal.
2. Elementos singulares: tanques, válvulas, ventosas, etc.
3. Características de las tuberías: longitudes, diámetros interiores,
rugosidades, celeridad de la onda.
Grupo FluIng – IMM – Universidad Politécnica de Valencia
Dyagast v2
DISEÑO ANTIGOLPE DE ARIETE EN SISTEMAS DE TUBERIAS por Ingenious Ware
CIERRE RAPIDO
DE VALVULA
CIERRE LENTO
DE VALVULA
ANALISIS Y PROTECCION DE UNA LINEA DE CONDUCCION
CON VALVULAS DE AIRE
CON CIERRE DE VALVULA
7. MODELACION FENOMENOS TRANSITORIOS
EN REDES HIDRAULICAS CON DiagastING v1
DiaAgastING v1
DISEÑO ANTIGOLPE DE ARIETE EN SISTEMAS DE TUBERIAS por Ingenious Ware
Grupo FluIng – IMM – Universidad Politécnica de Valencia
7. MODELACION FENOMENOS TRANSITORIOS
EN REDES HIDRAULICAS CON DiagastING v1 …
DIseño Anti Golpe de Ariete en Sistemas de Tuberías de
INGeniousware
DiagastIng permite analizar los transitorios en sistemas de tuberías
(incluyendo impulsiones y aducciones por gravedad en redes)
cuando una o más perturbaciones desvían al sistema de algún
régimen estacionario.
La posibilidad de utilizar las bases de datos que DiagastIng
incorpora, variar fácilmente el tipo, la ubicación y/o características
de diversos dispositivos de protección, y de reanalizar el problema,
permite llevar a cabo una labor de diseño que conduce a la
obtención de una o más estrategias sobre las que realizar una
elección atendiendo a criterios de carácter no técnico.
El proyecto de creación de DiagastIng ha sido dirigido por el autor
de las rutinas de cálculo del clásico programa DYAGATS desde la
Universidad Politécnica de Valencia y situado en un entorno de
última generación, que lo convierte en una herramienta eficaz,
fiable y moderna
7. MODELACION FENOMENOS TRANSITORIOS
EN REDES HIDRAULICAS CON DiagastING v1 …
Definición del Proyecto
Introducción
Los transitorios de presiones en una instalación hidráulica son
creados por perturbaciones que aparecen de manera programada o
espontánea en uno o varios de sus puntos.
Especialmente los transitorios rápidos, conocidos en el mundo no
anglosajón como Golpe de Ariete, pueden dar lugar a efectos
indeseables que conviene prever para evitar sus efectos, a veces de
proporciones desastrosas.
¿Para qué?
• Disponer de una herramienta que modele la evolución de tales
fenómenos.
• Simular los elementos adecuados de protección, su ubicación y
su comportamiento.
• Diseñar con detalle los elementos que consigan mantener segura
en todo momento la instalación.
Joaquín Izquierdo Sebastián
7. MODELACION FENOMENOS TRANSITORIOS
EN REDES HIDRAULICAS CON DiagastING v1 …
¿Cómo?
La simulación en ordenador de tales dispositivos y sus
comportamientos, aunque sin pretender sustituir a la capacidad de
diseño y de solución de problemas del ingeniero, es una herramienta
insustituible para la elaboración del esquema de protección antiariete
más adecuado. Los mecanismos numéricos de simulación están
perfectamente contrastados y son robustos y estables, produciendo
resultados absolutamente válidos desde el punto de vista de la
Ingeniería Hidráulica.
¿Qué se consigue?
El paquete permite analizar los transitorios que acontecen en sistemas
de tuberías (incluyendo impulsiones y aducciones por gravedad en
redes) cuando una o más perturbaciones desvían al sistema de algún
régimen estacionario.
La posibilidad de utilizar las bases de datos que el paquete incorpora,
variar fácilmente el tipo, la ubicación y/o características de diversos
dispositivos de protección, y de reanalizar el problema, permite llevar a
cabo una labor de diseño que conduce a la obtención de una o más
estrategias de protección antiariete sobre las que realizar una elección
atendiendo a criterios de carácter no técnico.
7. MODELACION FENOMENOS TRANSITORIOS
EN REDES HIDRAULICAS CON DiagastING v1 …
Objetivos alcanzables
• Analizar transitorios hidráulicos en redes
• Diseñar estrategias de protección antiariete
• Elaborar proyectos profesionales acerca de transitorios
hidráulicos
Capacidades
• Se pueden modelar redes de cualesquiera dimensiones
• Se puede observar gráfica y dinámicamente el acontecer del
transitorio identificando con rapidez los problemas
• Se puede simular el comportamiento de cualquier dispositivo
hidráulico
• Se puede simular el comportamiento de cualquier combinación
(razonable) de dispositivos
• Se utilizan bases de datos de elementos diversos para mayor
facilidad de edición
• Se obtienen gráficos diversos para las distintas magnitudes que
se analizan
Joaquín Izquierdo Sebastián
7. MODELACION FENOMENOS TRANSITORIOS
EN REDES HIDRAULICAS CON DiagastING v1 …
Joaquín Izquierdo Sebastián
PEREZ FARRÁS, Luis E.; GUITTELMAN, Adolfo; “ESTUDIO DE
TRANSITORIOS: GOLPE DE ARIETE”; FACULTAD DE INGENIERIA,
DEPARTAMENTO DE HIDRAULICA, UNIVERSIDAD DE BUENOS
AIRES; ARGENTINA, 2005.
http://escuelas.fi.uba.ar/iis/GOLPE%20DE%20ARIETE.pdf
8. BIBLIOGRAFIA
ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA TECNICA AGRICOLA;
“Tema 10. EL GOLPE DE ARIETE”; CATEDRA DE INGENIERIA
RURAL..
http://www.uclm.es/area/ing_rural/Trans_hidr/Tema10.PDF
“Anexo 1 TEORIA DE TRANSITORIOS HIDRAULICOS”..
http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/8729/2/Anexo_1.pdf
9. MISCELANEA
HAMMER v8 XM ANALISIS DE GOLPE DE ARIETE
HAMMER desmitifica la compleja ciencia del cálculo de golpe de ariete
y el análisis de transientes hidráulicos y pone en sus manos el poder
de elaborar estas tareas de importancia crítica.
HAMMER permite:
Desarrollar rentables estrategias de control
Evitar costosos daños de infraestructura
Suspensión por construcciones, mantenimiento operativo y de
presupuestos
Modelar cualquier dispositivo de protección
Minimizar el desgaste de las tuberías
Simular cualquier condición transitoria
Asegurar la longevidad del sistema de abastecimiento de agua
Preparar suministros eléctricos y reducir al mínimo las interrupciones
de servicio
Confíe en el riguroso cálculo computacional hidráulico de HAMMER
con una interfaz fácil de usar ideal para identificar, gestionar y mitigar
los riesgos asociados con los flujos transitorios.
“HIDRAULICA DE TUBERIAS – CAP. V”,
ABASTECIMIENTO DE AGUA – UNIVERSIDAD DE SAN SIMON
Lorenzo Allievi
(November 18, 1856 – October 30, 1941)
Ingeniero italiano muy reconocido por sus estudios
sobre problemas de water hammer.