En la primera parte de esta columna de dos partes, definiremos el golpe de ariete y exploraremos los eventos que lo causan. También trataremos de ganar perspectiva sobre la presión adicional que genera. Para leer la segunda parte, haga clic aquí.
¿Qué es el golpe de ariete?
El golpe de ariete (también waterhammer) es un aumento de presión que puede surgir en cualquier sistema de bombeo que sufra un cambio brusco en su caudal y que suele ser el resultado de los arranques y paradas de la bomba, la apertura y cierre de válvulas o la separación y cierre de la columna de agua. Estos cambios bruscos pueden hacer que toda o parte de la columna de agua que fluye sufra un cambio de impulso. Este cambio puede producir una onda de choque que viaja de un lado a otro entre la barrera que la creó y una barrera secundaria. Si la intensidad de la onda de choque es alta, pueden producirse daños físicos en el sistema. Curiosamente, el golpe de ariete puede ser más preocupante en aplicaciones de baja presión.
El golpe de ariete es otro ejemplo de conservación de la energía y resulta de la conversión de la energía de la velocidad en energía de la presión.
Como los líquidos tienen una baja compresibilidad, la energía de presión resultante tiende a ser alta.
Quizás la mejor manera de visualizar el golpe de ariete es empezar con un ejemplo hipotético. La figura 1 muestra una bomba que bombea agua en una tubería que estaba vacía cuando la bomba se puso en marcha. Las dos válvulas, situadas en la descarga de la bomba y en el extremo más alejado de la tubería, están totalmente abiertas y pueden cerrarse instantáneamente. La tubería, las válvulas y otros accesorios son totalmente inelásticos y no puede producirse ningún cambio de volumen, independientemente de la presión. La columna de agua que fluye por la tubería también tiene un borde de ataque perfectamente plano que coincide con el de la sección transversal del tubo. Cuando el borde de ataque de la columna de agua alcanza la válvula de aguas abajo, ésta se cierra casi a la velocidad de la luz y no atrapa ningún aire por delante de la columna de agua.
Figura 1Aunque el borde de ataque haya golpeado la válvula cerrada, el flujo hacia la tubería continúa durante los siguientes milisegundos. Justo cuando el flujo cesa, la válvula de aguas arriba se cierra (esta vez a la velocidad real de la luz), y la columna de agua queda completamente aislada entre las dos válvulas. ¿Qué acontecimientos ocurren cuando la columna choca con la válvula cerrada de aguas abajo y por qué el agua sigue entrando en la tubería aunque la válvula esté cerrada?
Si esta columna en movimiento fuera una columna de metal en lugar de agua (hipotéticamente, por supuesto), podrían ocurrir un par de cosas. Dependiendo de su coeficiente de restitución (su capacidad para evitar daños permanentes), la energía cinética debida al flujo (movimiento) podría transformarse en energía mecánica al aplastarse el borde de ataque de la columna metálica contra la válvula cerrada. Si esto ocurriera, la columna se detendría y permanecería inmóvil en la válvula. Si su restitución es lo suficientemente alta como para evitar el aplastamiento, esa misma energía cinética podría utilizarse para invertir su dirección en forma de rebote. Independientemente del resultado, la columna metálica «entera» se detendría o rebotaría en la dirección opuesta. Ninguno de estos eventos ocurre cuando el agua está involucrada.
El agua es un líquido casi no compresible, lo que parece sugerir que es ligeramente comprimible. A temperatura ambiente, 1 psi disminuirá su volumen en aproximadamente 0,0000034 por ciento. Eso parece bastante pequeño, pero cuanto mayor sea el volumen, más fácil será ver el efecto. Por ejemplo, si el agua no se comprimiera, el nivel del mar sería aproximadamente 100 pies más alto que su nivel actual. A presiones muy altas, por ejemplo 40.000 psi, su compresibilidad aumenta hasta un 10%. Pero la mayor parte del agua no es sólo agua: también contiene aire, que es principalmente nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). De lo contrario, los peces no podrían sobrevivir. El aire disuelto compone alrededor del 2 por ciento de un volumen dado de agua sin procesar, y añade sustancialmente a su compresibilidad.
Por qué
Es la compresibilidad del agua (y del aire disuelto) lo que hace que el agua actúe de forma diferente a la columna metálica. Si no fuera comprimible, su borde de ataque sería aplastado permanentemente o toda la columna rebotaría hacia atrás. Cuando el borde de ataque de una columna de agua choca con la válvula cerrada, se detiene bruscamente. Como el agua detrás del borde de ataque sigue en movimiento, comienza a comprimirse. Esta compresión a lo largo de toda la columna permite que una pequeña cantidad de agua siga fluyendo hacia la tubería aunque el borde de ataque se haya detenido. Cuando el flujo cesa, toda su energía cinética de movimiento y la debida a la compresión se convierte en energía de presión.
La compresión comienza en el borde delantero de la columna de agua y como la energía adicional que produce no puede continuar más allá de la válvula cerrada, se genera una onda de presión o de choque que viaja a lo largo del camino de menor resistencia que, en este ejemplo, es hacia atrás, aguas arriba. Su inicio es similar al eco que se produce cuando una onda sonora, que viaja por el aire, choca con una barrera similar. Cuando la onda choca con la válvula aguas arriba, se refleja aguas abajo pero con una intensidad menor. Este movimiento de ida y vuelta continúa hasta que la fricción y las pérdidas por reflexión hacen que la onda desaparezca. La velocidad a la que se desplaza una ola y la energía que pierde durante el viaje dependen de la densidad y la compresibilidad del medio en el que se desplaza. La densidad y la compresibilidad del agua la convierten en un buen medio para la generación y transmisión de ondas de choque.
Las ondas de presión creadas por el choque hidráulico tienen características similares a las de las ondas sonoras y viajan a una velocidad similar. El tiempo necesario para que una onda de presión de golpe de ariete atraviese una longitud de tubería es simplemente la longitud de la tubería dividida por la velocidad del sonido en el agua (aproximadamente 4.860 pies/seg.). En el análisis de los golpes de ariete, se suele utilizar una constante de tiempo que describe la progresión de la onda desde su inicio hasta la barrera secundaria y luego de vuelta. Tiene la forma de Tc = 2L/a (donde L es la longitud de la tubería y a es la velocidad de la onda, que es la velocidad del sonido). En una tubería de 1.000 pies, la onda puede dar una vuelta completa en menos de medio segundo.
La presión creada por esta onda de choque es directamente proporcional tanto a la velocidad de la onda como a la velocidad del agua que fluye en la tubería. Aunque la ecuación que se muestra a continuación no tiene en cuenta el efecto de la longitud, el diámetro y la elasticidad de la tubería, proporciona una idea de la presión adicional creada por una onda de presión de golpe de ariete.
P(adicional) = aV / 2,31g
P es la presión adicional que crea la onda de choque, a es la velocidad de la onda, V es la velocidad del agua que fluye en la tubería en pies por segundo, g es la constante gravitacional universal @ 32-ft/sec2 y 2,31 es la constante de conversión de la presión. A una velocidad de la tubería de 5 pies/seg², la presión adicional creada por la onda de choque es de aproximadamente 328-psi. Si se aumenta esa velocidad a 10 pies/segundo, la presión adicional aumenta a unos 657 psi. Obviamente, los sistemas que no están diseñados para acomodar tal aumento de presión a menudo se dañan o incluso se destruyen.
El próximo mes exploraremos las tres causas principales del golpe de ariete y los factores que contribuyen a la magnitud de la onda de choque que genera. También veremos por qué el golpe de ariete puede ser más perjudicial en los sistemas de baja presión.