DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO GOLPE DE ARIETE Y SU PROTECCIÓN

GOLPE DE ARIETE

  Llamamos golpe de ariete al transitorio hidráulico que se produce cuando la velocidad del fluido varía bruscamente.

Dicha variación de velocidad se convierte en una variación de presión que se propaga a lo largo de la conducción a velocidades muy elevadas y pueden producirse tanto  para el caso de abastecimientos por gravedad como para el caso de impulsiones mediante bombeo.

La diferencia en ambos casos es que en abastecimientos por gravedad 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. 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 a medida que el agua va comprimiendo al límite a la que le precede.

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.

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 la 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.

Como conclusión, se producen transformaciones sucesivas de energía cinética en energía de compresión y viceversa, comportándose el agua como un resorte.

En una impulsión, la parada brusca de motores produce el mismo fenómeno pero al contrario, es decir, se inicia una depresión aguas arriba de la bomba, que se traslada hacia el final para transformarse en compresión que retrocede a la bomba.

La velocidad de propagación de dichas variaciones de presión es la denominada celeridad de la onda y depende básicamente del coeficiente de elasticidad de la tubería, es decir del material de la misma.

CONSECUENCIAS

Hay que destacar la relación que puede existir entre la depresión y la cavitación, sobre todo en conducciones muy planas donde el riesgo de cavitación es máximo, por cuanto una depresión de cierta entidad somete fácilmente al fluido a una presión igual a su tensión de vapor. Se ha de recordar, que la cavitación consiste en una evaporación súbita del líquido a temperaturas muy inferiores a la del punto de ebullición del mismo, en condiciones normales de presión. Su explicación reside en la tensión de vapor. Un líquido se evapora cuando su tensión de vapor iguala a la presión exterior que sobre el líquido actúa.

Los efectos del golpe de ariete son el desgaste y rotura de la tubería así como el resto de elementos del sistema con lo que no sólo suponen una pérdida económica enorme sino que en caso de agua potable supone un riesgo de contaminación por lo que se pone en peligro la salud humana.

PROTECCIÓN ANTIARIETE

Una primera posibilidad de evitar los efectos perniciosos de las oscilaciones de presión originados por los transitorios es diseñar las tuberías a instalar y todos sus accesorios con una resistencia mecánica tal que sean capaces de soportar las presiones y depresiones extremas. Esta vía de actuación conduce muchas veces a instalaciones con una resistencia mecánica sobredimensionada, con el incremento innecesario de costo de implantación.

Un diseño correcto de las instalaciones requerirá el cálculo cuidadoso del efecto del transitorio, teniendo en cuenta cómo se genera y cuáles son los sistemas de protección que se vayan a instalar con objeto de dimensionar los componentes para que soporten las oscilaciones reales de presión y no un límite superior que en muchos casos nunca se va a dar.

Una vía de actuación es el trazado de la conducción que condiciona las presiones extremas que debe soportar el conducto, a la vez que en algunos casos puede ser la causa  de que aparezcan fenómenos de  cavitación, por ello, a veces puede resultar factible considerar otras rutas alternativas por las que pueda discurrir la tubería, buscando siempre aquella que reporte menor resistencia mecánica de los componentes y/o menores exigencias a los posibles sistemas de protección a instalar.

Otra vía de actuación es controlar el efecto del transitorio intentando disminuir y ralentizar los cambios de velocidad con lo que también disminuimos las oscilaciones de presión actuando directamente sobre el transitorio. En este caso, los volantes de inercia son una buena solución aunque su coste económico y su instalación desaconsejan su utilización.

Como resumen, diremos que para controlar los efectos del transitorio hidráulico tenemos dispositivos con capacidad para almacenar energía y dispositivos de sin capacidad para almacenar energía.

Los primeros almacenan aire comprimido y pueden disminuir las presiones negativas y positivas a valores admisibles y ejercen su acción desde el instante inicial en que comienza el transitorio (tiempo de respuesta instantáneo) y los segundos utilizan la presión atmosférica como fuente de energía, tienen limitada su acción a las proximidades de su lugar de actuación y su tiempo de respuesta no es instantáneo.

Dispositivos con capacidad de almacenar energía: calderines antiariete hidroneumáticos con vejiga o sin vejiga (con compresor) y chimeneas de equilibrio.

Dispositivos sin capacidad de almacenar energía: ventosas, válvulas de alivio y válvulas anticipadoras de ondas.

En el caso de las ventosas, tan solo con efectivas para las depresiones ya que introducen aire en la tubería por lo que tienen una capacidad limitada de protección además de no contar con un tiempo de respuesta instantáneo.

Las válvulas anticipadoras de onda tan solo actúan sobre las presiones positivas y tan solo son efectivas en conducciones cortas donde exista una diferencia geométrica importante.

En conclusión, los calderines antiariete suponen la mejor protección para el golpe de ariete ya que además de una actuación inmediata, actúan tanto sobre las depresiones (presiones negativas) como sobre las sobrepresiones (presiones positivas).