Golpe de ariete

Golpe de ariete. Concepto: Fenómeno físico que ocurre cuando varía bruscamente la presión de un fluido dentro de una tubería.

Golpe de ariete.También conocido como pulso de Zhukowski es el fenómeno físico que ocurre cuando varía bruscamente la presión de un fluido dentro de una tubería, motivado por el cierre repentino de una llave, grifo o válvula; también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor o bomba hidráulica. Durante la fluctuación brusca de la presión el líquido fluye a lo largo de la tubería a una velocidad definida como de propagación de la onda de choque. Este fenómeno deteriora las canalizaciones y puede incluso hacerlas estallar. Se trata de transformar esta energía inútil, e incluso peligrosa, en energía útil.

Historia

El científico ruso Nikolái Zhukovski (1847-1921) estudió este fenómeno por primera vez en su obra Sobre el choque hidráulico, como parte de sus indagaciones hidroaeromecánicas, que constituyeron la base teórica para la ulterior comprensión del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o `ariete hidráulico, lo que demuestra que los fenómenos físicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armónica actuación del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano.

Para aprovechar este fenómeno fácilmente observable en nuestros propios sistemas de conducción de agua, y al que se denomina « golpe de ariete ».se inventó desde 1772, por el inglés John Whitehurstel ariete hidráulico para una casa en Cheshire, Inglaterra.

En 1796, el inventor francés Joseph Michel Montgolfier (1740–1810) construyó un ariete hidráulico para su fábrica de papel en Voiron .Se trata de un dispositivo barato y que necesita poco mantenimiento, lo que lo hace especialmente apto para el uso en zonas montañosas, o en zonas rurales que se encuentren elevadas con respecto a los puntos de agua.

Desde la antigüedad el hombre ha utilizado la energía hidráulica para aliviar o sustituir su trabajo físico en las labores cotidianas más duras: moler granos (molino acoplado a una rueda hidráulica), generar electricidad (generador eléctrico acoplado a una turbina hidráulica) y para bombear agua con el Ariete Hidráulico. Con el desarrollo de los motores de combustión interna y eléctricos, en los tiempos iniciales de abundancia de combustibles fósiles, cuando el medio ambiente no sufría la contaminación de hoy, desencadenante del cambio climático y la destrucción de la biosfera, esta tecnología quedó en el olvido, menospreciándose su notable ahorro de combustible y amigable relación con el medio ambiente.

Los principales puntos fuertes de las bombas de ariete hidráulico son sus reducidas necesidades de mantenimiento y la ausencia de costes relacionados con la presencia de un motor, ya que la energía que permite su funcionamiento procede de la caída del agua. Permiten paliar los problemas de las bombas aspirantes, cuya altura de aspiración disminuye con la aspiración, por lo que no posibilitan la alimentación de entornos elevados por gravedad (tuberías inclinadas por las que el agua desciende naturalmente con la pendiente), y ofrecen una alternativa a las costosas soluciones basadas en la presencia de un motor eléctrico o de gasóleo.

Concepto

Las deformaciones elásticas en el líquido y en las paredes de la tubería que provocan este fenómeno se consideran indeseables porque causan frecuentes roturas en las redes hidráulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y también es causante de los sonidos característicos que escuchamos en las tuberías cuando abrimos o cerramos un grifo bruscamente en nuestras casas. Por tal razón, con frecuencia se diseñan válvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad.

Explicación del fenómeno

Debido a las propiedades ligeramente elásticas del fluido al ocurrir el cerrado brusco de la vávula por donde circula un a cierta velocidad y de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen detrás y que siguen aún en movimiento, situación que provoca el aumento de la presión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Este aumento de presión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal.

Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae.

Desde el punto de vista energético puede considerarse la transformación de la energía cinética del fluido en energía potencial elástica (cambios de presión) y viceversa. Si la tubería carece de roce y es indeformable (condiciones ideales)donde no hay pérdidas de energía, el fenómeno se reproduce indefinidamente. Si hay roce y la tubería es elástica, parte de la energía se va perdiendo y las sobrepresiones son cada vez menores hasta que el fenómeno se extingue.

En el caso de cierre de una válvula, la fuerza viva con que el agua estaba animada se convertiría en trabajo, determinando en las paredes de la tubería presiones superiores a la carga inicial. Si se pudiera cerrar la válvula en un tiempo t = 0, se produce el cierre instantáneo y considerando que el agua fuese incompresible y la tubería no fuese elástica, la sobrepresión tendría valor infinito.

En la práctica, el cierre lleva algún tiempo(Tv), por pequeño que sea y la energía que va a absorberse se transforma en esfuerzos de compresión del agua y deformación de las paredes de la tubería.

La sobrepresión no es infinita, pero tiene un valor mas o menos alto según el tiempo de cierre y el material de que esté hecha la tubería. La temperatura también influencia, aunque no mucha. Esta sobrepresión se origina en la válvula que se cierra, y viaja por la tubería a una velocidad que se llama celeridad "Cs". Estas ondas de sobrepresión forman parte de las llamadas ondas transientes, y suelen ir seguidas de ondas de depresión.

En Ingeniería es muy importante determinar la magnitud de esta sobrepresión para diseñar las tuberías con suficiente resistencia para soportarla. En las válvulas operadas a discreción, la sobrepresión no es muy grande porque se procura que Tv sea grande (cierre lento). Pero en las salidas de operación de equipos (parada de bombas, daño de válvulas, etc.) la sobrepresión puede ser muy grande, por lo que se procura disminuirla con válvulas de alivio, cámaras neumáticas, chimeneas de equilibrio, etc.

Cálculo del golpe de ariete

Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula según muestra: C×V₀÷g

Formulas

donde:

• C es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión,
• r₀ es la velocidad media del fluido, en régimen, g es la aceleración de la gravedad ( 9.81m/s² ).

A su vez, la velocidad de la onda se calcula como: C=((K÷r₀)÷(1+K×(D)÷(E×e))^½

donde:

• K es el módulo elástico del fluido,
• r₀ es la densidad del fluido,
• E es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la

misma,

• e es el espesor de las paredes de la tubería,
• D es el diámetro de la tubería.

Para el caso particular de tener agua como fluido:

• r₀=1000kg/m³
• K=2.074E+0.9N/m²

Esta expresión se llega a la fórmula de Allievi:

C=9900÷(43.7+λ×D/e)½

donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor:
λ=0.5

El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema.

Como se puede prever en la practica

• Limitando la velocidad en tuberías.
• Cierre lento de válvulas o registros. Construcción de piezas que no permitan la obstrucción muy rápida. Empleo de válvulas o dispositivos mecánicos especiales. Válvulas de alivio, cuyas descargas impiden valores excesivos de presión.
• Teniendo en cuenta la sobrepresión admitida en el calculo del espesor de las tuberias.
• Construcción de pozos de oscilación, capaces de absorber los golpes de ariete, permitiendo la oscilación del agua. Esta solución es adoptada siempre que las condiciones topográficas sean favorables y las alturas geométricas pequeñas. Los pozos de oscilación deben ser localizados tan próximos como sea posible de la casa de máquinas.
• Instalación de cámaras de aire comprimido que proporcionen el amortiguamiento de los golpes. El mantenimiento de estos dispositivos requiere ciertos cuidados, para que sea mantenido el aire comprimido en la cámaras.

Lugares o contextos en los que este medio parece el más adecuado

Se trata de un método particularmente adecuado para las zonas situadas a cierta altitud y próximas a un estanque o una fuente de agua. Esta tecnología posibilita el abastecimiento de agua de las instalaciones rurales aisladas situadas a cierta altitud.

Descripción de los principales componentes de una bomba de ariete hidráulico

• La válvula de batería (también llamada « válvula de choque »): Es una pieza generalmente metálica que permite provocar los golpes de ariete cuando se cierra debido a la presión del agua. Determina el rendimiento del ariete hidráulico, y sobre todo el de la bomba; por ello, es conveniente que su instalación la realice un técnico cualificado.

• El tubo de batería (también llamado « canalización motriz »):Conecta la bomba al depósito.

• El cuerpo de la bomba: El cuerpo de la bomba recibe el agua procedente de la fuente de alimentación a partir del tubo de batería y la transmite a la válvula de batería y a la válvula de descarga.

El golpe de ariete se produce en el cuerpo de la bomba, por lo que esta debe estar fabricada en un material capaz de resistir las variaciones de presión y un posible ataque químico del agua procedente de la fuente de alimentación.

• La válvula de descarga (también llamada clapeta de descarga ): Tiene un papel específico en cada fase del funcionamiento. Durante la fase de sobrepresión está abierta y permite el paso del agua desde el cuerpo de la bomba hacia el depósito neumático. Durante la de subpresión está cerrada e impide el vaciado del depósito en el cuerpo de la bomba.

• El depósito neumático (también llamado cámara de aire o depósito de aire ): Recibe el agua en los periodos de sobrepresión y la libera al tubo de descarga en los periodos de subpresión en el cuerpo de la bomba. El depósito es esencial para el buen funcionamiento de la bomba, y permite incrementar el rendimiento y evitar que el cuerpo de la bomba, la canalización motriz o el propio depósito exploten como consecuencia de los golpes de ariete.

• El respiradero: Es un pequeño orificio acondicionado por debajo de la válvula de descarga en el cuerpo de la bomba. Permite alimentar el depósito neumático de aire, necesario para liberar el agua en la tubería de descarga. Solo se instala en los arietes hidráulicos más avanzados, con el fin de evitar tener que purgar el depósito de aire.

• La válvula de retención: Permite impedir que, en caso de parada de la bomba, el agua del conducto de descarga no llegue al depósito.

• El tubo de descarga: Está conectado al depósito neumático y al depósito situado en altura, donde se recoge el agua.

Ventajas e inconvenientes principales

Ventajas

• Costo energético (electricidad, gasolina) nulo
• Mantenimiento limitado.
• Vida útil entorno a los diez años.
• Volumen reducido.

Desventajas

• Rendimiento limitado.(pérdida importante a nivel de la válvula de choque)
• Sensibilidad a las impurezas de agua.
• Procedimiento poco conocido y extendido debido a su escasa comercialización
• Fabricación en series limitadas, poco proveedores.

Materiales para elaborar el ariete hidráulico

Existe el ariete hidráulico completamente fabricado en acero inoxidable, ya que esto le daría una vida útil mucho más prolongada a todo el dispositivo, pero:

• Se eleva al costo de los materiales
• Aumenta el peso del ariete.

El PVC es un material muy utilizado en la fabricación del ariete hidráulico en dispositivos de menor magnitud.

• Es más liviano.

Generalmente para el ariete hidráulico actualmente se está utilizando el acero galvanizado debido a:

• Su bajo peso en comparación con el acero inoxidable,
• Es un material resistente a la corrosión y a la abrasión,
• Proporciona gran durabilidad
• Proporciona buena resistencia a las grandes presiones que se darán al interior del ariete hidráulico.
• Posee las ventajas en cuanto que el material de la tubería influye directamente en la celeridad.

En Cuba

El Centro Integrado de Tecnología del Agua (CITA) en el año 1990, con el asesoramiento del ingeniero belga Jan Haemhouts, comienza la investigación y desarrollo de arietes hidráulicos multipulsores capaces de aprovechar los caudales reducidos con baja carga hidráulica de las fuentes de abasto en épocas de seca, diseminando esta tecnología fundamentalmente en la serranía del oriente y centro del país. El diseño y fabricación de estos arietes fue a partir de accesorios galvanizados Actualmente este centro está comenzando el proceso de innovación tecnológica.

La necesidad de ejercer una cultura de protección que apueste por la optimización del uso de los recursos naturales del país implementando estrategias que propicien su obtención, distribución, limpieza y reutilización, es primordial para lograr el desarrollo sostenible de todas las comunidades en Cuba.

En relación con lo que se orienta, cobra vigencia el uso de arietes hidráulicos para el aprovechamiento del golpe de ariete para el abasto de agua a la agricultura, ganadería y comunidades rurales, allí donde puede ser aprovechada una fuente renovable de energía para su accionamiento: la energía hidráulica.

Fuentes

• Tecnologías para el abasto de agua cubasolar.cu. Consultado el 20 de abril de 2018.
• Bomba de soga cubasolar.cu. Consultado el 20 de abril 2018.
• Golpe de Ariete eia.edu.co. Consultado el 20 de abril de 2018.
• Golpe de ariete
• Golpe de Ariete notaculturaldeldia.blogspot.com. Consultado el 20 de abril de 2018.
• Leopoldo Gallardo Quiñones. Ingeniero Agrónomo.Consultado en:cubasolar.cu. Consultado el 20 de abril de 2019.
• John Gwynn Q. Golpe de ariete en una red de distribución de agua, Perú,XXVII congreso latinoamericano de hidráulica,llevado a cabo en lima, Perú]. 28 al 30 de setiembre de 2016.
• Cátedra de Ingeniería Rural. El golpe de ariete. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de Ciudad Real. España
• Sebastián Rengifo Hincapié, Juan Daniel Gallego. Diseño y construcción de un sistema de ariete hidráulico para el aprovechamiento de aguas lluvias Facultad de tecnologías Universidad tecnológica de Pereira.Colombia
• Alejandro Montecinos Larrosa.Los secretos del ariete hidráulico. Escritor y periodista. Ingeniero Mecánico. Director de la Editorial CUBASOLAR y la revista Energía y tú.
• Elioiqui Guilarte Defino .Caracterización de un ariete hidráulico Multipulsor,Instituto superior minero metalúrgicoCuba, Moa.“Dr. Antonio Núñez Jiménez”
• Hiram González.El Fenómeno del Golpe de Ariete: Causas, Efectos y Prevención. Departamento de Ingeniería Civil y Agrimensura. Universidad de Puerto Rico.
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