Golpe de ArieteFenómeno transitorio en el que se considera que: • La tubería no es rígida • El líquido es compresible Se produce ante un paro brusco del flujo del fluido (típico el cierre de una válvula). La energía cinética se transforma en energía de presión. La sobrepresión puede llegar a romper la tubería. Al alcanzar el otro extremo de la tubería. más fuerte será el golpe. ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía.El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). Conjuntamente. la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. ésta tiende a expandirse. reduciendo su volumen. y dilata ligeramente la tubería. por tanto. en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos en el sistema de distribución. Este fenómeno es muy peligroso. el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. cesa el impulso que la comprimía y. se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería. Por otro lado. Este fenómeno y su significado tanto para el diseño como para la operación de los sistemas de agua. En resumen el golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o disminución de la velocidad del flujo. al estar la válvula cerrada. . Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido. El fluido se desplaza en dirección contraria pero. a veces hace reventar tuberías de hierro colado. las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. cuando se cierra bruscamente una válvula un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud. arranca codos instalados. válvulas. e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre. ensancha las de plomo. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido.). En consecuencia. no son ampliamente entendidos. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido. etc. Estas fluctuaciones de presión pueden ser lo suficientemente severas como para romper la tubería de agua. por ejemplo. en un depósito a presión atmosférica. Al reducirse la presión. se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido. ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos. Cualquier cambio mayor en el diseño del sistema principal o cambio en la operación—tales como aumento en la demanda de los niveles de flujo—deben incluir la consideración de los problemas potenciales de golpe de ariete. Los problemas potenciales del golpe de ariete pueden ser considerados al evaluarse el diseño de las tuberías y cuando se realiza un análisis detallado de las oscilaciones de presión. si la onda no se ve disipada. La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto. estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería. 2. El arranque de la bomba puede inducir un colapso rápido del espacio vacío que existe aguas abajo de la bomba. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flujo del líquido. 4. El aire atrapado en la línea se comprimirá y ejercerá una presión extra en el agua. Sin embargo existen cuatro eventos comunes que típicamente inducen grandes cambios de presión: 1. Investigando las Causas del Golpe de Ariete. Las presiones dañinas pueden ocurrir cuando estas cavidades se colapsan. Adicionalmente a estos eventos normales existen acontecimientos imprevistos tales como interrupciones de energía y el mal funcionamiento de los equipos. la demanda fluctúa y los niveles del tanque cambian. El aire atrapado o los cambios de temperatura del agua también pueden causar excesiva presión en las líneas de agua. sin importar el nivel o magnitud del cambio. Las presiones máximas experimentadas en un sistema de tuberías son frecuentemente el resultado de la separación de una columna de vapor.Las condiciones de operación de un sistema de transporte de agua casi nunca están en un estado constante. Las causas del golpe de ariete son muy variadas. La oscilación de presión resultante de una abertura repentina de la válvula usualmente no es tan excesiva. la cual es causada por la formación de paquetes vacíos de vapor cuando la presión cae tan bajo que el líquido ebulle o se vaporiza. Los cambios de temperatura causan que el agua se expanda o se contraiga. las cuales causan golpe de ariete. La presión en el lado de descarga de la bomba alcanza la presión de vapor. Los cambios rápidos en el nivel del flujo requieren grandes fuerzas que son vistas como presiones altas. 3. . La abertura y cierre de la válvula es fundamental para una operación segura de la tubería. requiere que el líquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de flujo. afectando también la presión. lo que puede cambiar rápidamente las condiciones de operación de un sistema. Al cerrarse una válvula. lo que causa un aumento de la presión en el lado de succión y una disminución de presión en el lado de la descarga. 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.como demuestra por el número y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete. 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. Las operaciones inapropiadas o la incorporación de dispositivos de protección de las oscilaciones de presión pueden hacer más daño que beneficio. La disminución es usualmente el mayor problema. Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rápido en la energía de suministro del flujo. la parte final aguas debajo de una tubería crea una onda de presión que se mueve hacia el tanque de almacenamiento. Las presiones y los flujos cambian continuamente a medida que la bomba se enciende y se apaga. resultando en la separación de la columna de vapor. Si la presión pudiera bajar en los puntos elevados. . Esto no solo resultará en oscilaciones bajas de presión. incrementando el tiempo muerto del sistema. Todos los descensos donde las presiones pudieran bajar mucho deben ser protegidos con válvulas liberadoras de aire. crítico. deben ser propiamente clasificadas y seleccionadas para realizar la tarea para la que están previstas sin producir efectos secundarios. no deberá ser tan larga que contenga un gran volumen de aire innecesario. Bomba: Los problemas de operación en el arranque de la bomba pueden usualmente ser evitados incrementando el flujo en la tubería lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. una válvula liberadora de aire y de vacío debe ser usada. Sin embargo.La oscilación de presión debe ser incorporada junto con la presión de operación durante el diseño de la tubería. El tamaño de la válvula de descarga de aire es. La dirección del flujo los controla). siglas en inglés) y varían dependiendo del tipo de tubería utilizada. En esta situación. Estas válvulas pueden ser un método efectivo de control transitorio. Sin embargo. (Estas válvulas hacen el trabajo sin electricidad o baterías. Las válvulas de descarga son comúnmente usadas en estaciones de bombeo para controlar la oleada de presión y proteger la estación de bombeo. y así. como se ha mencionado. sino también resultará en bajos niveles de caballos de fuerza durante la operación. Incluso. Encontrando Soluciones Prácticas. Una válvula liberadora de aire deberá ser lo suficientemente larga para admitir suficientes cantidades de aire durante las oscilaciones de presión aguas abajo y para que la presión en las tuberías no baje mucho. la mejor forma de prevención es tener válvulas controladas automáticamente. las cuáles cierran lentamente.Otro ejemplo es el tratar de incorporar algunos medios de prevención del golpe de ariete cuando este no es un problema. El aire arrastrado o los cambios de temperatura del agua pueden ser controlados por la válvula de descarga de la presión. un simple medio para reducir las oscilaciones hidráulicas de presión es el mantener bajas velocidades en la tubería. Al cerrarse la válvula lentamente se puede moderar el aumento en la presión cuando las ondas de sobre-presión del agua de abajo—resultando del cierre de la válvula — regresan del tanque de almacenamiento. Las siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete: Válvulas: El golpe de ariete usualmente daña a las bombas centrífugas cuando la energía eléctrica falla. pueden ser el medio menos costoso para proteger el sistema de tuberías. porque este aire tendrá que ser ventilado lentamente. Las recomendaciones y requerimientos con respecto a presiones de las oscilaciones permisibles están dados en los estándares y manuales para la práctica de abastecimiento de agua de los Trabajos Americanos de Agua (AWWA. conseguir una máxima economía de operación. los cuales están fijados para abrir con presión excesiva en la línea y luego se cierran cuando la presión cae. Las válvulas liberadoras de aire si están apropiadamente clasificadas y dimensionadas. y poder almacenar el líquido excesivo. Estos tanques de oscilación también pueden ser diseñados para proporcionar flujo al sistema durante una oscilación agua abajo.• "Movimiento Impermanente en Tuberías" . PÉREZ FARRÁS. el tanque actuará para liberar la presión. fluctuaciones positivas y negativas. poder controlarlo. y típicamente pueden ser vistos detrás de accesorios de los lavabos y la tina de baño. • "El Golpe de Ariete en Impulsiones". Sirve aclarar que es recomendable estudiar este fenómeno más a fondo. los tanques de oscilación pueden ser un dispositivo de control costoso. De forma fina como botellas volteadas al revés y con un pequeño orificio conectado a la tubería. para conocer sus causas y así.Publicación CEI.Enrique MENDILUCHE ROSICH. Conclusión. • "Clases de Máquinas Hidráulicas y Aprovechamientos Hidroeléctricos". Sin embargo. Cuando la oscilación es encontrada. están llenos de aire. las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua directamente conectado a la tubería llamado “tanque de oscilación”.Tanque de Oscilación: En tuberías muy largas. Roberto .El golpe de ariete está asociado con sistemas que no pueden ser definidos exactamente debido al tamaño y largo del sistema de distribución de agua con un perfil ondulante o por la falta de definición de los componentes del sistema tales como las válvulas o las bombas.Ing. dando al flujo un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la expansión de la pared de la tubería y compresión del fluido.Ing. protegiendo a los accesorios y a la tubería. Los tanques de oscilación pueden servir para ambos. Adolfo GUITELMAN . Luis E. Bibliografía.Ing. Cámara de Aire: Las cámaras de aire son instaladas en áreas donde se puede encontrar el golpe de ariete frecuentemente. Existe una necesidad de un acercamiento más práctico mientras que la investigación continúa proporcionando mejores descripciones de la física del golpe de ariete y mientras que las soluciones computacionales proporcionen herramientas más útiles que incluyan esos principios. de esta manera previene o minimiza la separación de la columna de vapor. El aire se comprime para absorber el choque. • "Método de los Diagramas Triangulares". formándose burbujas o. . además de dañar la superficie. CAVITACION La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido a velocidades próximas a las del sonido. en hélices de barcos y aviones. cavidades. dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan. bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. por ejemplo. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita. Nótese que dependiendo de la composición del material usado se podría producir una oxidación de éste con el consiguiente deterioro del material.Diego COTTA. las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma. Se puede presentar también cavitación en otros procesos como. ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser próxima a la del sonido. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones. «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno. provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que. más correctamente. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor. mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor que causa una succión. impurezas del líquido o cualquier otra irregularidad. pero normalmente ha de tenerse en cuenta la temperatura del fluido que. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de las bombas o hélices. La cavitación puede afectar a casi cualquier material. haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa. El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. Para que la cavitación se produzca. El colapso de las cavidades entraña gran cantidad de energía que puede causar un daño enorme. las «burbujas» necesitan una superficie donde nuclearse. de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasiva (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo). puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectable por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices. la cavitación puede causar mucho ruido. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito.Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (resultado de la pasivación) que cubre el metal y lo protege. En dispositivos como hélices y bombas. evitado e indeseado. Este fenómeno es muy estudiado en ingeniería naval durante el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones. En el caso de los submarinos este efecto es todavía más estudiado. en gran medida va a ser la posible causa de la cavitación.La cavitación es. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante. El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. daño en los componentes y una pérdida de rendimiento. en la mayoría de los casos. . un suceso indeseable. Problemas y corrección. proceso biotecnológico) que se lleva a cabo mediante un sonicador. Otra aplicación de la cavitación es durante el proceso de homogeneización de un producto (ej. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para limpiar superficies. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. rompiendo células presentes en la suspensión. la creación y posterior colapso de las burbujas crean fricción y turbulencias en el líquido. este último. Autor: steeter and wylie . Ambos son sometidos a presiones. Conclusión. Para las células bacterianas como la E. la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno. se descomponen en tamaños microscópicos. el tamaño de la muestra y la concentración celular. que como ya se mencionó es la formación de pequeñas burbujas en el medio líquido. lo que favorece su actuación. hélices y turbinas. El fenómeno puede producirse tanto en tuberías o venturis como en bombas. Bibliografía. La duración de ultrasonido necesario depende del tipo de células. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.Mecánica de Fluidos. a burbujas que.La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un valor admisible. incluso hasta velocidades supersónicas. esto no siempre es así. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua. para conocer sus causas y así.Además de todo lo anterior. La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. 30 a 60 segundos puede ser suficiente para muestras pequeñas células de levadura. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación. con la fuerza del agua. coli. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Por ejemplo. Estas vibraciones de alta frecuencia causan cavitación. saliendo disparadas a gran velocidad. poder controlarlo. Estas burbujas colapsan liberando su energía mecánica en forma de ondas de choque equivalente a varios miles de atmósferas de presión. dando lugar. Por los efectos destructivos que en las estructuras mal instaladas se puede producir la cavitación es preciso estudiar este fenómeno. Este aparato posee una punta que se sumerge en la solución a homogeneizar y vibra a frecuencias ultrasónicas. pueden necesitar de 2 a 10 minutos. Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias. Autor: Edward Smith .Manual del ingeniero mecánico.