El golpe de ariete
El golpe de ariete es un fenómeno dado en conductos de cierta longitud que transporten fluidos ligeramente elásticos; en el cual se produce una fuerte sobrepresión, debida a un cierre brusco de una válvula o grifo situado en el extremo del conducto, que puede llegar a causar importantes daños y roturas.
Al cerrarse bruscamente una válvula o un grifo instalado en
el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se
han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que
siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la
tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido.
Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime el fluido, reduciendo su volumen,
y dilata ligeramente la tubería (15mm). Sin embargo, cuando todo el fluido que
circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por
tanto, éste tiende a expandirse, además, la tubería que se había ensanchado
tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan
otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en
dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión
con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el
fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la
tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se
ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica (para ello se
utilizan las chimeneas de equilibrio), podrá producir importantes daños y
roturas.
La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a
la longitud del conducto e inversamente proporcional al tiempo durante el cual
se cierra la llave.
Material dañado por el efecto del golpe de ariete.
En el siguiente vídeo se hace una demostración del fenómeno del golpe de ariete, mostrando además la fuerza de la sobrepresión producida y las consecuencias que puede tener:
La cavitación
La cavitación es el efecto hidrodinámico que se ocasiona cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido (debido a la conservación de la constante de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas (o cavidades), las cuales viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, ya que las burbujas “estallan”) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.
La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido
a velocidades próximas a las del sonido. Estas pueden disiparse en la corriente
del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las
ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente
y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se
convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación
de burbujas de vapor. Además, si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en
contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el
líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones
localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El
fenómeno suele ir acompañado de ruido y vibraciones.
Turbina dañada y oxidada a causa de la cavitación
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