Fenómenos Transitorios

Presentación de un resumen acerca de los fenómenos transitorios que pueden ocurrir en un sistema de tubería llena.

1. Fenómenos Transitorios
Hidráulica II
Ángel Israel Erreyes Quezada
Universidad Técnica Particular de Loja
La Universidad Católica de Loja

2. Modelos de análisis
ESTÁTICOS
DINÁMICOS
Inerciales
No Inerciales
Elástico
Rígido

3. Primera fase del transitorio
Al finalizar la primera fase del
transitorio se encuentra una
situación claramente inestable: la
presión constante en el interior
del deposito es inferior a la de la
tubería, sometida a los efectos
de la sobrepresión derivada de la
detención del fluido.

4. Segunda fase del transitorio
El sistema tiende a restablecer el
equilibrio mediante el inicio de un
retroceso del fluido hacia el
depósito.

5. Tercera fase del transitorio
El inicio de la tercera fase es una
consecuencia de la situación
inestable del final de la segunda
fase.

6. Cuarta fase del transitorio
La cuarta fase del transitorio la
origina la situación
energéticamente desequilibrada
en las proximidades del depósito
originada por la onda de presión
característica de la tercera fase.

7. Evolución de las principales variables a
lo largo del depósito

8. Evolución de las principales variables a
lo largo del depósito

9. FASES DEL FENÓMENO TRANSITORIOS
EN UNA IMPULSIÓN
Al producirse la parada del grupo
bomba, la válvula de retención se
cierra, y el agua continúa en
movimiento en la tubería, hasta
que la depresión que inicia en la
válvula de retención por la
ausencia de fluido, provoca su
detención. Se crea una onda
depresiva que viaja hacia el
depósito y además detiene el
agua. Dicha perturbación coloca a
toda la tubería bajo los efectos de
una depresión y con el agua en
reposo. Se crea una diferencia de
energías entre la tubería y el
depósito.

10. FASES DEL FENÓMENO TRANSITORIOS
EN UNA IMPULSIÓN
El desequilibrio generado por la
diferencia de energías se repara
por el depósito, el cual introduce
agua en la tubería, y se produce
un retrocedo del agua hacia la
válvula de retención de
velocidad igual –Vo. La onda de
presión viaja desde el depósito
hacia la válvula, lo que resulta
que la tubería se encuentre con
la presión inicial.

11. FASES DEL FENÓMENO TRANSITORIOS
EN UNA IMPULSIÓN
La situación inestable, primero,
del agua cerca de la válvula de
retención, y luego, en toda la
tubería, produce que el depósito
desconozca la cantidad de agua
que debe reponer para remediar
la depresión, por lo que aún
aporta agua hacia la tubería.
Con estas circunstancias, resulta
un aumento de presión junto a la
válvula de retención que se
propaga hacia el depósito,
además se produce la detención
del agua en la tubería.

12. FASES DEL FENÓMENO TRANSITORIOS
EN UNA IMPULSIÓN
La tercera fase deja una
diferencia entre la presión de la
tubería y el depósito, lo que
origina que el agua inicie de
nuevo el movimiento con la
dirección original y la misma
velocidad Vo. A la vez que el
sistema trata equilibrar la energía,
lo que inicia la onda de presión
que inicia en el depósito y se
dirige hacia la válvula. De esta
manera comienza nuevamente
el ciclo transitorio.

13. Evolución de las principales variables a
lo largo del depósito

14. Evolución de las principales variables a
lo largo del depósito

15. Pulso de Joukowsky(Allievi)
Expresado en términos de alturas piezómetricas:
En la mayoría de las situaciones en las que se generan fenómenos
transitorios el pulso de Jowkowski, representa el valor máximo de las
sobrepresiones que pueden alcanzarse, al referirse a la máxima reducción
de velocidad posible en la instalación. No obstante, existen circunstancias
en las que pueden alcanzarse sobrepresiones superiores a las indicadas
por dicho valor. Algunas de estas circunstancias son:

16. Circunstancias donde pueden ocurrir
sobrepresiones
La presencia de bolsas de aire atrapado en la conducción. Dichas bolsas
suponen una interrupción de la columna líquida y a la aparición de
fenómenos diferentes a los descritos hasta el momento.
La aparición del fenómeno de la cavitación que en el colapso de las
micro burbujas de vapor puede generar impulsos de presión muy
superiores a los previstos.
El fenómeno del empaquetamiento de las ondas que genera un aumento
de la presión sobre el pulso de Jowkowskien un valor aproximado a las
pérdidas de carga en la conducción, y cuyo detalle puede seguirse en
(Abreu y otros, 1995)

17. Celeridad (a)
El segundo parámetro fundamental para el análisis de un transitorio
hidráulico es determinar el valor de la celeridad o velocidad con que se
propagan los pulsos de presión definidos con anterioridad. La obtención
de dicha celeridad es inmediata a partir de un balance de volúmenes. La
expresión final obtenida, fue propuesta por Korteweg(1878), haciendo
depender en la misma los conceptos de elasticidad de la tubería y del
fluido.
La expresión propuesta por Korteweges:
Donde:
K: Módulo de comprensibilidad volumétrico del
agua
ρ: densidad del agua
E: Módulo de Young del material del conducto
D: Diámetro del conducto
e: Espesor del conducto

18. Métodos para reducir el golpe de
ariete
VOLANTE DE INERCIA
Consiste en incorporar a la parte rotatoria del grupo de impulsión un volante
cuya inercia retarde la pérdida de revoluciones del motor, y en consecuencia,
aumente el tiempo de parada de la bomba, con la consiguiente minoración
de las sobrepresiones.
Este sistema crea una serie de problemas mecánicos, mayores cuanto mayor
sea el peso del volante.
CHIMENEAS DE EQUILIBRIO
Consiste en una tubería de diámetro superior al de la tubería, colocada
verticalmente y abierta en su extremo superior a la atmósfera, de tal forma que
su altura sea siempre superior a la presión de la tubería en el punto donde se
instala en régimen permanente.
Este dispositivo facilita la oscilación de la masa de agua, eliminando la
sobrepresión de parada, por lo que sería el mejor sistema de protección si no
fuera por aspectos constructivos y económicos. Sólo es aplicable en
instalaciones de poca altura de elevación.

19. Métodos para reducir el golpe de
ariete
CALDERÍN
Consiste en un recipiente metálico parcialmente lleno de aire que se
encuentra comprimido a la presión manométrica. Existen modelos en
donde el aire se encuentra aislado del fluido mediante una vejiga, con lo
que se evita su disolución en el agua.
El calderínamortigua las variaciones de presión debido a la expansión
prácticamente adiabática del aire al producirse una depresión en la
tubería, y posteriormente a la compresión, al producirse una sobrepresión
en el ciclo de parada y puesta en marcha de una bomba.
Su colocación se realiza aguas debajo de la válvula de retención de la
bomba. Se instala en derivación y con una válvula de cierre para permitir
su aislamiento.

20. ¿Qué es la cavitación?
La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en
determinadas condiciones, pasa de estado líquido a gaseoso y en unos
instantes a estado líquido nuevamente.
Fase 1: De líquido a gaseoso
Fase 2: De gaseoso a líquido

21. ¿Cuándo puede haber cavitación?
La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos
donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido.
Ejemplos: En partes móviles:
• Álabes de turbinas
• Rodetes de bombas
• Hélices de barcos
En partes no móviles:
• Estrangulamientos bruscos
• Regulación mediante orificios
• En válvulas reguladoras

22. ¿Cómo aparece la cavitación?
Un líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener
las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen
burbujas de vapor.

23. Evolución de la energía en un punto
de regulación

24. Evolución de la energía en un punto
de regulación

25. Implosión de las burbujas de vapor

26. Cavitación en bombas
Los álabes de un rodete de una
bomba se mueven dentro de un
fluido, las áreas de bajas
presiones se forman cuando el
fluido se acelera a través de los
álabes. Cuando se alcanza la
presión de vapor, el fluido se
vaporiza y forma pequeñas
burbujas de vapor que al
colapsarse causan ondas de
presión audibles y desgaste en los
álabes.

27. Cavitación de succión
La cavitación de succión ocurre cuando
la succión de la bomba se encuentra en
unas condiciones de baja presión/alto
vacío que hace que el líquido se
transforme en vapor a la entrada.
Este vapor es transportado hasta la zona
de descarga donde el vacío desaparece
y el vapor del líquido es de nuevo
comprimido debido a la presión de
descarga; allí se produce una violenta
implosión sobre la superficie del rodete.

28. Cavitación de descarga
La elevada presión de descarga provoca
que la mayor parte del fluido circule por
dentro de la bomba en vez de salir por la
zona de descarga, a este fenómeno se le
conoce como "slippage".
A medida que el líquido fluye alrededor
del rodete debe de pasar a una
velocidad muy elevada. Esta velocidad
provoca el vacío, lo que provoca que el
líquido se transforme en vapor.

29. Cavitación en válvulas
Este fenómeno ocurre cuando la válvula
se encuentra parcialmente cerrada, la
velocidad local del flujo a su paso por el
cierre puede alcanzar valores muy
elevados. de modo que la presión,
puede alcanzar los valores de la presión
de vapor del agua.
En el caso de cavitación muy intensa se
llegaría a una situación de bloqueo del
caudal (chokedcavitation).

30. Cavitación en válvulas
Clasificación de la intensidad de la cavitación
1) Cavitación incipiente: Se define como la condición del flujo en la que la
cavitación comienza a ser detectable.
2) Cavitación constante o crítica: Este segundo límite de cavitación se define
como la situación del flujo en la que aparece cavitación continua en un
grado moderado.
3) Cavitación con daños incipientes: Se caracteriza, como su nombre indica,
por el comienzo de la erosión de los contornos de la válvula.
4) Cavitación con bloqueo: En este nivel extremo se bloquea el caudal
circulante debido a la obstaculización provocada por las burbujas. Llegados
a este extremo.

31. Conclusiones
La cavitación es un elemento altamente desfavorable.
Tiene efectos energéticos y destructivos negativos.
Es debida a la aparición de muy bajas presiones en tuberías, válvulas y
bombas.
Es un fenómeno que puede ser evitado con una correcta selección de los
elementos e instalaciones concretos en cada aplicación.

32. Gracias

33. Bibliografía
Benavides, Holger, (04 de enero de 2008). Ariete: Descripción y efectos del
golpe de ariete –Protección de líneas hidráulicas.Obtenido de:
https://rmluna.files.wordpress.com/2010/04/09_transitorios.pdf
Cueva, José, (marzo de 2013) Cálculo de fenómenos transitorios en redes a
presión para distribución de agua potable urbana por el método de las
características y su automatización mediante software. Obtenido de RiUTPL:
http://dspace.utpl.edu.ec/handle/123456789/7022
URALITA –Sistema de tuberías, (s.f.). La cavitación en sistemas de tuberías.
Obtenido de:
https://www.agronoms.cat/media/upload/editora_24/Cavitacion%20espa%C
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Caval, Jos, (25 de octubre de 2014). Cavitación.Obtenido de:
https://es.slideshare.net/joscaval/cavitacion-40725374
Wikipedia (17 de enero de 2019) Cavitación.Obtenido de:
https://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3n
https://www.youtube.com/watch?v=Z_rDoRpAqWM
https://www.youtube.com/watch?v=j8URMjzhCec

34. Imagen diapositiva 2, 5, 6, 7 y 11. Obtenida de:
https://www.agronoms.cat/media/upload/editora_24/Cavitacion%20espa
%C3%B1ol%202_editora_241_90.pdf
Imagen diapositiva 8. Obtenida de:
http://www.interempresas.net/Componentes_Mecanicos/Articulos/34521 -
Cavitacion-en-el-bombeo-de-fluidos.html
Imagen diapositiva 9 y 10. Obtenida de:
http://www.fullmecanica.com/definiciones/b/1677-bombas-centrifugas
Imágenes de diapositivas de 3 al 14. Obtenidas de:
http://dspace.utpl.edu.ec/handle/123456789/7022