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En caso extremo, el golpe de ariete se produce al cerrarse completamente una válvula, generándose una detención del flujo en forma brusca; en estas situaciones, después de la detención del flujo, se produce una circulación en sentido contrario, generándose una componente negativa de presiones, pudiéndose llegar en caso extremo en algunos materiales, al aplastamiento de la tubería como consecuencia de presiones negativas. Existen diversas maniobras que provocan el fenómeno:
• Cierre y apertura de válvulas.
• Arranque de bombas.
• Detención de bombas.
• Funcionamiento inestable de bombas.
• Llenado inicial de tuberías.
• Sistemas de protección contra incendios.
• Cierres cerámicos (griferías de 1/4 de vuelta y monomandos).
• Válvulas esféricas.
• Lavadoras automáticas.
• Lavavajillas.
• Griferías electrónicas.
• Aire en las conducciones.
Siendo el causante de graves problemáticas, por ejemplo:
• Deteriora el sistema de abastecimiento de agua.
• Fisura las conducciones.
• Arranca codos y uniones.
• Deteriora soldaduras.
• Origina ruidos y vibraciones.
• Rotura de los cierres cerámicos de las griferías.
• Fatigas prematuras de materiales.
En general, el fenómeno aparecerá cuando, por cualquier causa, en una tubería se produzcan variaciones de velocidad y, por consiguiente, en la presión. Como puede observarse del listado anterior, todos estos fenómenos se producen en maniobras necesarias para el adecuado manejo y operación del recurso, por lo que debemos tener presente que su frecuencia es importante y no un fenómeno eventual.
La presión máxima que soporta la tubería, (positiva o negativa), será la suma o resta del incremento del valor del golpe de ariete (H) a la presión estática de dicha conducción. 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 sobrepresiones 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. Las propias pérdidas de carga de la tubería y de los accesorios contribuyen a amortiguar el golpe de ariete y es interesante tenerlas en cuenta, ya que si bien a más velocidad de circulación del líquido, mayor es el golpe de ariete, por otra parte, aumentan también las pérdidas de carga, resultando una sobrepresión máxima final menos elevada de la que se hubiera podido esperar de no tener en cuenta los rozamientos.
En el valor del golpe de ariete influyen varios factores, tales como el tiempo T de cese de la circulación de agua (en realidad es el tiempo que tarda en anularse la onda de presión y sobrepresión) por el cierre de una válvula o el paro del motor (no debe confundirse con el tiempo de parada de la bomba). Otros factores son: la velocidad del agua dentro de la conducción, el diámetro de la tubería, etc.
La magnitud del golpe de ariete depende de las siguientes variables:
• Velocidad del flujo (V): a mayor velocidad, mayor sobrepresión.
• Tiempo utilizado en la detención del flujo (t): a menor tiempo, mayor sobrepresión.
• Longitud involucrada de la tubería (L): a mayor longitud, mayor sobrepresión.
• Grado de deformabilidad de la tubería: a mayor deformabilidad, menor sobrepresión. Este último concepto se materializa en la variable celeridad «a» o velocidad de propagación de la onda de sobrepresión, que es característico de cada tipo de tubería. La celeridad a adquiere valores, como veremos más adelante, del orden de 300 a 400 m/s en las conducciones de materiales plásticos y de 980 a 1200 m/s en las conducciones rígidas, siendo en general función del diámetro, del espesor y del módulo de elasticidad del material del conducto. La teoría y la práctica demuestran que las máximas sobrepresiones posibles se logran para los casos en que la maniobra de cierre sea menor que el tiempo que tarda la onda en su viaje de ida y vuelta al obturador. Este tiempo lo denominaremos tiempo crítico Tc.
Una expresión aproximada indicativa para obtener la sobrepresión del golpe de ariete es:
En la que Pg es la sobrepresión en m.c.a., L es la longitud del conducto (en metros), V la velocidad del agua en m/s y T, el tiempo durante el cual se cierra la llave (en segundos).
1.3.7.1 Fórmulas de Michaud y Allievi
De forma más rigurosa se puede determinar la sobrepresión producida por el golpe de ariete, según la magnitud del tiempo de cierre, aplicando las fórmulas de Michaud y Allievi:
La fórmula de Allievi se emplea para las impulsiones en las que el golpe de ariete se produce por un paro imprevisto de la bomba y la de Michaud para las condiciones en las que la importancia de la sobrepresión es debida al tiempo de cierre de las válvulas, tiempo de «maniobra ineal de cierre del obturador» de difícil cálculo práctico. Esta maniobra es difícil de lograr en la práctica, puesto que las válvulas en general, afectan al caudal a partir del 70% o más de su carrera de cierre. Este hecho se soluciona operando aún mucho más lentamente las válvulas en los tramos finales de la carrera de cierre. Es importante prestarle atención a este tema ya que suele traer confusiones dando la idea errónea que, si Tc > 2L/c (cierre lento), las máximas sobrepresiones estarán dadas por la expresión de Michaud aunque no siempre es así.
En el caso de instalaciones de distribución directa de red o bien de distribución por gravedad, el cierre de las válvulas puede modificarse y por lo tanto es una variable sobre la que se puede actuar. Por el contrario en el caso de las bombas de impulsión el tiempo transcurrido entre la nterrupción de funcionamiento del grupo y el cese de la velocidad de circulación del agua (tiempo de parada) es más difícil de controlar y viene impuesto, no pudiéndose medir de forma directa. El ingeniero E. Mendiluce Rosich propuso la siguiente fórmula empírica para su cálculo, fórmula que ha alcanzado gran aceptación por su sencillez y fiabilidad:
| Siendo: | |
| L |
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