Universidad de Oriente

Núcleo Anzoátegui

Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas

Departamento de Ingeniería Civil

Asignatura: Laboratorio de Hidráulica

Informe # 9

Profesora: Maira Padrón Realizado por:

Preparadora: Alexandra Zabala Carvajal, Geraldine C.I:19.673.918

Concepción, José C.I:19.184.038

Gutiérrez, Alexander C.I:17.972.592

Morán, Alcides C.I:18.247.183

Solorzano, Gerardo C.I:18.597.502

Sección: 21

Grupo # 6

Barcelona, 18 de noviembre de 2011

Índice

Págs.

Objetivos…………………………………………………………………………III

Marco Teórico……………………………………………………………………4

Materiales y Equipos…………………………………………………………...12

Esquema del Equipo……………………………………………………………13

Asignaciones…………………………………………………………………….14

Bibliografías………………………..……………………………………………17

Objetivos

Estudiar el fenómeno de golpe de ariete mediante una chimenea de equilibrio y el comportamiento de la misma para diferentes valores de caudal.

Marco Teórico

Chimeneas de equilibrio:

Son las obras de enlace entre la conducción del lado de aguas arriba y la tubería de descanso.

Consisten en un cuerpo vertical en forma de recipiente o tubería, situado por encima del nivel de la captación, cuya forma y capacidad deben ser los necesarios para mantener dentro de los límites proyectados las momentáneas variaciones de presión provocadas por las variaciones del caudal absorbido por las turbinas; constituyen una válvula hidráulica.

Cuando disminuye bruscamente el caudal absorbido por las turbinas, la chimenea se llena con el agua procedente de la galería de presión, elevándose el nivel en su interior; a la vez se frena así la fuerza viva de la masa de agua contenida en la galería (anulación de energía). Cuando aumenta la cantidad de agua que consume la central, el nivel de agua en la chimenea de equilibrio baja, con la aceleración de la masa de agua superior.

La alteración del régimen de movimiento del agua produce unas oscilaciones periódicas del nivel de agua en la chimenea, alrededor de una nueva posición de equilibrio; estas oscilaciones deben amortiguarse, lo que puede conseguirse por una acción recíproca combinada del regulador de la turbina y la sección de la chimenea, así como la inclusión de un regulador de presión en la tubería de descanso; también puede conseguirse el establecimiento aperiódico, esto es, sin oscilaciones, del nivel de la chimenea de equilibrio, dando a esta una sección muy grande. La altura correspondiente a la amplitud de la primera oscilación de las originadas por la alteración más fuerte que puede producirse en el régimen hidráulico de la central, es la base para la determinación de los límites de la altura y profundidad de la chimenea, así como del nivel a que desemboca la galería de presión.

Z

L

D

Embalse

Chimeneade equilibrio

Ventajas de la chimenea de equilibrio:

• Simplicidad y nulo mantenimiento.

• No necesita ningún dispositivo adicional.

• El transitorio no se transmite aguas abajo.

Desventajas de la chimenea de equilibrio:

• Restricciones en la situación de la chimenea, la altura de la misma ha de ser superior a la altura piezométrica para el caudal máximo, y la cota inferior menor que la altura piezométrica en ese punto para el caso de caudal nulo.

• Aparición de fuertes inversiones del flujo aguas arriba de la chimenea, incluso superiores a las que aparecerían si no hubiese chimenea

Golpe de ariete:

Es un fenómeno que se presentará con una magnitud considerable cuando tengamos un conducto forzado (tubería) que transporte un líquido, sea de longitud relativamente grande y tengamos también una válvula que se cierre bruscamente. Si se presentan estas condiciones, se generarán una serie de oscilaciones amortiguadas de presión y velocidad a lo largo de la tubería, con una celeridad en la propagación de las perturbaciones suficientemente grande como para poder ser comparada con la velocidad del sonido.

El estado de régimen se alcanzará recién después de una serie de estas oscilaciones. Como tenemos ondas de compresión y depresión, debemos tener en cuenta la compresibilidad del líquido y la elasticidad del conducto para estudiar el fenómeno.

Algunos casos en que se puede presentar golpe de ariete:

• Cambios en la abertura de la válvula, accidental o planeado.

• Arranque o interrupción de bombas.

• Cambios en la demanda de potencia de turbinas.

• Cambios de elevación del embalse.

• Ondas en el embalse.

• Vibración de impulsores en bombas, ventiladores o turbinas.

• Variaciones en la apertura o cierre del gobernador o regulador de una turbina causadas por cambios en la carga de los sistemas eléctricos.

• Vibración de accesorios deformables tales como válvulas.

Consecuencias:

Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc.).

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe.

El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc.

La Figura 2: representa la variación de la presión en la válvula de cierre rápido sin considerar pérdidas por fricción debido al desplazamiento de la onda de sobrepresión a lo largo del conducto. El ciclo de las ondas de sobrepresión y subpresión se repetiría indefinidamente pero las pérdidas de energía hacen que vaya atenuándose hasta anularse por completo tal como se ilustra en La Figura 3.

Figura 2: Variación teórica de la presión en la válvula, sin considerar pérdidas por fricción. Tomado de Comisión Federal de Electricidad. 1982.

Figura 3: Variación real de la presión en la válvula, considerando pérdidas

fricción. Tomado de Comisión Federal de Electricidad. 1982.

Donde:

c: celeridad o velocidad de propagación de la onda de sobrepresión.

L: longitud de la tubería.

h': sobrepresión en la chimenea de equilibrio.

-h': subpresión en la chimenea de equilibrio.

hf: pérdidas por fricción en la tubería.

V: velocidad en la tubería.

Flujo permanente:

Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio.

Flujo no permanente:

Se caracteriza en que las condiciones en cualquier punto del escurrimiento cambian con el tiempo.

Onda de presión:

Al cerrar por completo instantáneamente una válvula, si dividimos imaginariamente todo el flujo que llena la tubería en rodajas, se quedará primero en reposo la rodaja 1, a continuación la 2, 3, 4, etc., necesitando un cierto tiempo.

Es decir, en la válvula se ha originado una onda de presión que se propaga con velocidad, la cual en el instante considerado tiene dirección contraria a la velocidad (V) del fluido; se ha creado una onda elástica, o sea, una onda de presión que se propaga por la tubería, se refleja en el embalse y así sucesivamente, originando sobre presiones en la tubería, la cual se dilata o se contrae al paso de la onda.

Tiempo de cierre de una válvula:

Cierre instantáneo: Es un caso teórico, físicamente imposible que se utiliza para explicar el fenómeno del golpe de ariete que depende del tiempo de cierre de la válvula.

Cierre rápido: En este caso, el cierre de la válvula se realiza antes de que la primera onda de sobre presión que se produce retorne a ella.

Cierre lento: Si consideramos la misma condición que en el caso anterior, pero sometida a un proceso de cierre lento de la válvula, la sobre presión será ahora menor, puesto que la onda reflejada llegará a la válvula antes de que se complete el cierre de ésta.

Fase o periodo de una tubería:

Es el tiempo que la onda de sobrepresión tarda en ir y volver de una extremidad a otra de la tubería, generalmente éntrela válvula de cierre y el tanque de carga.

Sobre presión máxima: En una tubería de longitud L, espesor S y de diámetro interior D, por la que circula agua proveniente de un embalse y que termina en el extremo derecho de la válvula.

Sí se cierra rápidamente ésta, en virtud del principio de la conservación de la energía cinética, ésta se va transformando en un trabajo de compresión de fluido que llena la tubería, y en el trabajo necesario para dilatar ésta última se ha producido una sobre presión, o un golpe de ariete positivo. La onda de sobre presión máxima ocurre cuando se ha cerrado totalmente la válvula, es decir, al cabo de t (seg), por lo que esta bomba estará en cierto punto de la tubería con las ondas de retorno que se generaron de las primeras ondas de sobre presión al iniciarse el cierre de la válvula.

Mecanismo de prevención

Limitar la velocidad de diseño. La velocidad de diseño del fluido para

el sistema a plena operación, no debe superar los 15 m/seg para

sistemas de riego y distribución de agua potable, 616m/seg para

líneas de aducción y de 12 a 18m/seg para bombeo de aguas negras.

Instalar agua de alivio de presiones.

Instalar válvulas de cierre lento.

Usar bombas de bajo momento de inercia.

Usar sistemas con juntas elásticas.

Mecanismos de amortiguación

Chimenea de equilibrio.

Chimenea de aire.

Válvula de seguridad.

Válvula de retención.

Cerrar lentamente la válvula de impulsión.

Inyectar aire con un compresor para producir un muelle elástico

durante la sobre presión.

Materiales y Equipos

Tanque de alimentación. Tanque de nivel constante. Tubería de descarga. Tubería de Rebose Chimenea de equilibrio.

Apreciación: 0.5cm.

Capacidad: 200cm. Válvula de cierre rápido. Válvulas de cierre lento. Cilindro graduado.

Marca: Pobel Capacidad: 2000mlApreciación: 20ml

Cronometro.Marca: UltraxCapacidad: 9h 59min 59,99seg

Apreciación: 0,01seg

Agua. Jarra Plástica.

Marca: ManaplasCapacidad: 1L

Esquema del Equipo

Tanque de Almacena

mientoVálvula de

Cierre lento de

alimentación

Tanque de Alimentaci

ón

Tubería de Ensayo para chimeneas

Tubería de Rebose o Equilibrio

Válvula para

chimenea

Válvula de Cierre rápido

Chimenea

Asignaciones

2. Definir y describir lo siguiente:

Flujo permanente: Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio.

Flujo no permanente: se caracteriza en que las condiciones en cualquier punto del escurrimiento cambian con el tiempo.

Chimenea de equilibrio: Sirve para aminorar el golpe de ariete. Ésta se ha de colocar lo más cerca posible de la central. La onda elástica de sobre presión no se propaga en la tubería que une la chimenea de equilibrio con el embalse porque la onda se refleja en ella.

Onda de presión: Al cerrar por completo instantáneamente una válvula, si dividimos imaginariamente todo el flujo que llena la tubería en rodajas, se quedará primero en reposo la rodaja 1, a continuación la 2, 3, 4, etc., necesitando un cierto tiempo.

Es decir, en la válvula se ha originado una onda de presión que se propaga con velocidad, la cual en el instante considerado tiene dirección contraria a la velocidad (V) del fluido; se ha creado una onda elástica, o sea, una onda de presión que se propaga por la tubería, se refleja en el embalse y así sucesivamente, originando sobre presiones en la tubería, la cual se dilata o se contrae al paso de la onda.

Tiempo de cierre de una válvula:

Cierre instantáneo: Es un caso teórico, físicamente imposible que se utiliza para explicar el fenómeno del golpe de ariete que depende del tiempo de cierre de la válvula. Cierre rápido: En este caso, el cierre de la válvula se realiza antes de que la primera onda de sobre presión que se produce retorne a ella.

Cierre lento: Si consideramos la misma condición que en el caso anterior, pero sometida a un proceso de cierre lento de la válvula, la sobre presión será ahora menor, puesto que la onda reflejada llegará a la válvula antes de que se complete el cierre de ésta.

Fase o periodo de una tubería: es el tiempo que la onda de sobrepresión tarda en ir y volver de una extremidad a otra de la tubería, generalmente éntrela válvula de cierre y el tanque de carga.

Sobre presión máxima: En una tubería de longitud L, espesor S y de diámetro interior D, por la que circula agua proveniente de un embalse y que termina en el extremo derecho de la válvula.

Sí se cierra rápidamente ésta, en virtud del principio de la conservación de la energía cinética, ésta se va transformando en un trabajo de compresión de fluido que llena la tubería, y en el trabajo necesario para dilatar ésta última se ha producido una sobre presión, o un golpe de ariete positivo. La onda de sobre presión máxima ocurre cuando se ha cerrado totalmente la válvula, es decir, al cabo de t (seg), por lo que esta bomba estará en cierto punto de la tubería con las ondas de retorno que se generaron de las primeras ondas de sobre presión al iniciarse el cierre de la válvula.

3. Indicar algunas medidas que se deben tomar para combatir el golpe de ariete.

Mecanismo de prevención

Limitar la velocidad de diseño. La velocidad de diseño del fluido para

el sistema a plena operación, no debe superar los 15 m/seg para

sistemas de riego y distribución de agua potable, 616m/seg para

líneas de aducción y de 12 a 18m/seg para bombeo de aguas negras.

Instalar agua de alivio de presiones.

Instalar válvulas de cierre lento.

Usar bombas de bajo momento de inercia.

Usar sistemas con juntas elásticas.

Mecanismos de amortiguación

Chimenea de equilibrio.

Chimenea de aire.

Válvula de seguridad.

Válvula de retención.

Cerrar lentamente la válvula de impulsión.

Inyectar aire con un compresor para producir un muelle elástico

durante la sobre presión.

Bibliografías

BOUGHAMAN, Mounir, MSC. (2006). Laboratorio de Hidráulica; Venezuela.

GONZALEZ, Luis. (2006). Curso de hidráulica de canales abiertos; Venezuela