GOLPE DE ARIETE EN BOMBAS
El golpe de ariete es una gran fuerza destructiva que puede presentarse en cualquier sistema de bombeo, cuando en este el caudal (gasto) cambia repentinamente de un momento a otro cualquiera que sea la causa.
Es pues, esencial y necesario que el ingeniero sea capaz de predecirlo (golpe de ariete), a la vez que estima la presión máxima que este puede llegar a producir y si es posible, instalar equipo capaz de reducir esta presión, hasta que quede dentro de los limites de seguridad.
El establecimiento de la teoría básica se inicio con las contribuciones de Joukousky y Allievi hace alrededor de 85 años. A estas le siguieron muchas otras contribuciones como él calculo numérico gráfico y las computadoras. Aun cuando la teoría y el mecanismo de calculo del fenómeno del golpe de ariete en líneas de descarga de bombas centrifugas ha avanzado mucho últimamente, hay muchos aspectos que pueden ser confusos para muchos. Así pues el propósito de este articulo es tratar de aclararlos.
Consideraciones básicas: Aquí se expondrán algunas de las suposiciones y consideraciones que debemos tener en cuenta para desarrollar el tema.
þ El fluido dentro de la tubería que lo conduce, se comporta como un cuerpo elástico, de densidad homogénea y se encuentra siempre en estado liquido.
þ El material de la tubería es homogéneo, isotópico y elástico.
þ Las velocidades y presiones que se generan dentro de la tubería, la cual siempre se encuentra llena completamente de fluido, se distribuyen uniformemente sobre cualquier sección transversal de la tubería que se considere.
þ La presión que produce la velocidad del fluido es despreciable cuando se le compara con los cambios de presión que provoca el golpe de ariete.
þ La distancia entre la entrada y salida de la bomba es tan corta que la onda de presión que provoca el golpe de ariete se propaga entre estos dos puntos, de manera instantánea.
þ Los efectos de inercia de partes giratorias, o sea el efecto de volante del impulsor de bombas o del motor del rotor eléctrico, son despreciables en su magnitud durante el cambio de condiciones que impone el golpe de ariete.
þ Se considera que no hay cambio apreciable en los niveles de liquido de los tanques de almacenamiento, tanto de alimentación como de descarga del sistema, que sea de consideración durante el fenómeno del golpe de ariete.
ALGUNOS METODOS PARA CONTRARRESTAR EL GOLPE DE ARIETE
Sistemas de bombeo de baja y alta presión: el golpe de ariete tiene mayor significación en sistemas de baja presión, que en los de alta presión. Las velocidades de desplazamiento en condiciones estables normales tanto en los sistemas de alta como en los de baja presión son aproximadamente iguales. Sin embargo, los cambios de presión son proporcionales a la velocidad con que se cambia la velocidad de la masa de agua contenida dentro de la tubería. Por lo tanto, dado un cambio de velocidad especifico dentro de la unidad del tiempo, el cambio de presión que resulta en los sistemas de alta y baja presión es del mismo orden de magnitud. Por lo tanto, una elevación en la presión por una cantidad dada, representara un aumento en mayor proporción dentro del sistema de baja presión, que lo que este mismo aumento de presión representara dentro de un sistema de alta presión.
Tamaño de la tubería: El diámetro de la tubería se suele determinar en consideraciones económicas, basadas en condiciones de bombeo en estado estable. No obstante, los efectos del golpe de ariete en un tubo de descarga de una bomba se pueden reducir al aumentar el tamaño del tubo de descarga, porque los cambios de velocidad serán menores en el tubo más grande. Este método de reducción del golpe de ariete en los tubos de descarga suele ser muy costoso, pero hay ocasiones en las cuales resulta más costoso utilizar dispositivos de control que el cambio del diámetro de la tubería.
Efecto de volante (WR^2): Otro método para reducir los efectos del golpe de ariete en los tubos de descarga de las bombas, es proveer un efecto de volante adicional en el elemento rotatorio del motor. En promedio, el motor por lo general produce alrededor del 90% del efecto del volante combinado de los elementos rotatorios de la bomba y el motor. Al ocurrir una interrupción de corriente en el motor, un aumento de la energía cinética de las partes rotatorias, reducirá la rapidez del cambio de la circulación de agua en el tubo de descarga. En la mayoría de los casos se puede obtener un aumento del 100% en el WR^2 de los motores grandes con un aumento de precio del 20% del costo original del motor. Ahora bien, un aumento en el WR^2 no es un método económico para reducir el golpe de ariete, pero es posible en algunos casos marginales, eliminar otros dispositivos más costosos para el control de la presión.
Numero de bombas: El numero de bombas conectadas en cada tubo de descarga se suele determinar con los requisitos operacionales de la instalación, disponibilidad de las bombas y otras consideraciones económicas. No obstante, el numero y tamaño de las bombas conectadas en cada tubo de descarga tendrán algún efecto sobre las transitorias del golpe de ariete. Para el arranque de bombas equipadas con válvulas de retención, cuanto mayor sea el numero de bombas en cada tubo de descarga, menor será el aumento de la presión. Además, si hay una falla en una de las bombas o válvulas de retención, seria preferible una instalación con bombas múltiples en cada tubo de descarga, en vez de una sola bomba, porque los cambios de circulación en el tubo de descarga producidos por la falla, serian menores. Cuando ocurre una interrupción simultanea de la corriente en todos los motores de las bombas, cuanto menor sea el numero de bombas en un tubo de descarga, menores serán los cambios en la presión y otros fenómenos hidráulicos transitorios. Para una circulación total dada en un tubo de descarga, un gran numero de bombas y motores pequeños, tendrá mucha menor energía cinética total en las partes rotatorias, para mantener la circulación, que un numero pequeño de bombas. En consecuencia, para el mismo caudal total, los cambios de velocidad y los efectos del golpe de ariete a consecuencia de la interrupción de la corriente son mínimos, cuando hay una sola bomba conectada en cada tubo de descarga.
Velocidad especifica de las bombas: Para una tubería y condiciones dadas de circulación estable inicial, el aumento máximo en la carga que puede ocurrir en un tubo de descarga, después de la interrupción de la corriente, cuando la circulación inversa pasa por la bomba depende, primero, de la magnitud de la circulación inversa máxima que puede pasar por la bomba durante los periodos de disipación de energía y de funcionamiento de la turbina y, luego, de la circulación que puede por la bomba a la velocidad de embalamiento o “desboque” en reversa. Al ocurrir la interrupción de la corriente, la bomba de flujo radial (alta velocidad especifica), producirá un poco mas de turbulencia que las bombas de flujo axial y de flujo mixto. La bomba de flujo radial también producirá el máximo aumento en la carga al ocurrir la interrupción de la corriente, si se permite que la circulación inversa pase por la bomba. Suele haber muy poco aumento en la carga en las bombas de flujo mixto y de flujo axial cuando ocurre una interrupción de la corriente y si no ocurre una separación de la columna de agua en algún otro lugar de la tubería.
Durante la interrupción de la corriente si no se utilizan válvulas, se llega a una mayor velocidad inversa en la bomba de flujo axial y a una menor en la bomba de flujo radial. Por lo tanto, se debe tener cuidado de evitar daños a los motores de las bombas de mayor velocidad especifica, debido a estas velocidades inversas más altas. Al arrancar una bomba en contra de una válvula de retención inicialmente cerrada, la bomba de flujo axial producirá el máximo aumento de carga en el tubo de descarga porque también tiene la máxima carga de cierre. Al arrancar la bomba, una bomba de flujo radial producirá un aumento nominal en la carga; pero, una bomba de flujo axial puede producir un aumento en la carga varias veces mayor que la carga estática.
ACCESORIOS PARA CONTRARRESTAR EL GOLPE DE ARIETE
Válvulas de retención: estas se pueden agrupar en dos clases: de cierre rápido y de cierre lento. El requisito más importante de una válvula de retención es, que al ocurrir la interrupción de la corriente, esta se cierre con una rapidez tal que no se establezca una circulación inversa apreciable. Si debido a las características de circulación del sistema y al diseño de la válvula de retención no se puede cumplir con el anterior objetivo, se tiene que recurrir a unos dispositivos que sean capaces de amortiguar el cierre de la válvula, ya sea en su totalidad o en su finalización.
En los sistemas grandes de bombeo, si se utiliza un cierre de una velocidad para la válvula de descarga, después de la interrupción de la corriente, se limitara el aumento de la carga en la tubería de descarga, a un valor aceptable. Si se desea, por otras consideraciones, limitar la velocidad inversa de la bomba, se puede utilizar un cierre de dos velocidades para la válvula, en este caso la válvula en su mayor parte debe ser cerrada con mucha rapidez, hasta el momento en que se invierta la circulación en la bomba. Después debe acabar de cerrarse con una menor velocidad, a fin de limitar el aumento de presión en el tubo de descarga, a un valor aceptable.
Supresores de fluctuaciones: estos se utilizan, en las plantas de bombeo para controlar el aumento en la presión que ocurre en los tubos de descarga de las bombas, después de una interrupción de la corriente. Un supresor de fluctuaciones consiste en una válvula operada por piloto, la cual abre con rapidez después de una interrupción de la corriente. Esta válvula produce una abertura para descargar el agua del tubo de descarga, después esta se cierra con lentitud debido a la acción de un amortiguador de cierre, a fin de controlar el aumento en la presión conforme se corta la circulación de agua. Un supresor de fluctuaciones adecuado y bien ajustado en el campo, puede reducir el aumento en la presión a cualquier valor deseado, siempre y cuando no ocurra una separación de la columna de agua en otros lugares de la tubería.
Si el supresor abre con demasiada rapidez, después de la interrupción de la corriente, la fluctuación descendente de la bomba y de la tubería de descarga seria mayor que si no hubiera supresor. Como resultado, se puede producir una separación de la columna de agua en algunos lugares de la tubería, por la apertura prematura del supresor. Si el supresor cierra con demasiada rapidez después de establecida la máxima circulación inversa, ocurrirá un gran aumento en la presión
Cámaras de aire: es un dispositivo eficaz para controlar las fluctuaciones de presión en una tubería de descarga larga de una bomba. Esta suele encontrarse en la estación de bombeo o cerca de esta. La parte inferior de esta contiene agua y la superior aire comprimido. Cuando ocurre una interrupción de la corriente en el motor de la bomba, la carga producida por la bomba baja con rapidez. El aire comprimido de la cámara se expande y expulsa el agua por el fondo de la cámara hacia el tubo de descarga, minimizando los efectos de cambio de velocidad y los efectos del golpe de ariete en el tubo. Cuando la velocidad de la bomba se reduce a un punto al cual no puede entregar agua en contra de la carga existente, entonces la válvula de retención en la descarga se cierra con rapidez, desacelerando la bomba, hasta que esta se detiene. Unos instantes mas tarde, el agua en el tubo de descarga pierde velocidad y se detiene, se invierte y retorna a la cámara de aire. Esta entra por un orificio de restricción, disminuyendo el volumen de aire de la cámara y ocurriendo un aumento en la carga, superior a la carga de bombeo en la tubería de descarga.
Tanques de compensación de pulsaciones: este es uno de los dispositivos mas confiables que se pueden utilizar en las estaciones de bombeo para reducir el golpe de ariete. No tiene piezas móviles que se puedan dañar. Después de la interrupción en la corriente, el agua en el tanque de compensación constituye una fuente de energía potencial, que reduce en forma efectiva, la rapidez en el cambio de circulación y el golpe de ariete en la tubería de descarga. Una de las desventajas del tanque de compensación es que su parte superior debe estar mas arriba del gradiente hidráulico para evitar derrames, haciendo así el tanque muy alto y muy costoso.
En el libro Hidraulic Institute Standards (Bombas centrifugas, rotatorias y reciprocas), 12a, 1969. Podemos encontrar unas gráficas de fácil manejo de donde se pueden calcular las fluctuaciones en la tubería ocasionadas por el arranque o paro súbito de una bomba.
Trinquetes no reversibles: este aparato de uso solo en plantas de bombeo pequeñas, consiste de un trinquete (cuña) no reversible en el eje de la bomba y del motor, que evita la rotación inversa de la bomba. Este aparato es eficaz para controlar el golpe de ariete al ocurrir la interrupción de la corriente, debido a la gran circulación inversa que puede pasar por el impulsor que esta estacionario. Aunque ha sido útil en bombas pequeñas, su uso en bombas medianas y grandes ha sido decepcionante, debido a que el choque en el sistema de eje de motor y bomba por el paro repentino del eje, ocasiono graves problemas mecánicos.
A continuación se mostraran algunas gráficas que ofrecen un método conveniente para obtener las transitorias hidráulicas en la bomba y en el punto medio del tubo de descarga, cuando no hay válvulas de control en la bomba. Aunque las gráficas, en teoría, son aplicables a un grupo particular de bombas de flujo radial, también son útiles para calcular los efectos del golpe de ariete en cualquier tubería de descarga equipadas con bombas de flujo radial. Las gráficas están basadas en dos parámetros independientes: 
, la constante de la tubería y 
una constante que incluye el efecto de la inercia de la bomba del motor y el tiempo de recorrido de la onda de golpe de ariete en la tubería de descarga.
