MARCO TEORICO

1. IMPULSO AFT 9 – AFT IMPULSE 9

Es un software de análisis y simulación, que esta solo disponible en Applied
Flow Technology. Realiza una simulación de golpes de ariete en sistemas líquidos
que contienen agua, petróleo y productos refinados, criógenos, refrigerantes y
productos químicos; esta simulación nos ayuda a determinar presiones extremas,
dimensionar y ubicar equipos de supresión de sobretensiones, determinar fuerzas de
tubería desequilibradas, dimensionar soportes estructurales y solucionar problemas
de sistemas existentes en el caso que se está simulando.

1.1. Principales Características del Software

 Modela y simula componentes de un sistema líquidos.
 Modela la cavitación de vapor y la separación de la columna del líquido.
 Modelado detallado de inercia de bombas para viajes y puestas en
marcha.
 Amplio repertorio de fluidos y accesorios.
 Modelado integral de válvulas de alivio
 Gráficos e informes integrados.
 Animación para gráficas y a través de ellas crear video para compartir
resultados.
 Inteligencia artificial incorporada.
 Cuenta con un demo de demostración gratuita.

1.2. Principales Ventajas

 Nos ayuda a entender como interactúan los diferentes componentes entre
sí como las válvulas, bombas, etc.
 Nos da un análisis del colapso de la cavidad de vapor, mediante los picos
de presión como resultado.
 Ayuda a solucionar problemas de diseño en sistemas inadecuados ya
presentes.
 Ayuda a verificar la seguridad del sistema modelado.
 Está presente en más de 80 países en el mundo.
  Nos ayuda a solventar de la mejor manera el sistema, mediante la
optimización de este por el modelo. Viendo el mejor sistema, menos
costoso para que este cumpla con todas las características solicitadas.
 Soluciona el estado estacionario incorporado para iniciar el transitorio de
golpe de ariete.
 Se puede usar en sistemas de fluidos como el agua, refrigerantes,
productos químicos, criógenos, petróleo y productos refinados, etc.
 Nos ayuda a producir sistemas de tuberías más seguros y económicos a
partir de la simulación.
 Evita posibles fallas en las tuberías por cavitación, así como también
posibles catástrofes por efecto de golpe de ariete.
 Nos ayuda a evitar fallas en seguridad y por ende posibles accidentes
ambientales y con consecuencia a la vida.

https://www.aft.com/products/impulse/details

2. SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

2.1. Definición
Un sistema de abastecimiento de agua potable es un conjunto de
componentes construidos para captar, conducir, tratar, almacenar y distribuir
agua apta para el consumo humano a los usuarios; que este compuesto por:
fuente de abastecimiento, obra de captación, línea de conducción, tanque de
distribución, distribución del agua y colector de aguas residuales.

2.2. Utilización de equipo de bombeo

2.2.1. Estaciones de bombeo
Se instalan estaciones de bombeo en las cuales se incrementa la
energía existencia mediante la aplicación de energía externa, esto es cuando
en un sistema de abastecimiento de agua potable, la energía hidráulica que se
dispone en un conducto a presión -tubería- no es suficiente para cumplir con
los requerimientos del diseño- el agua no llega a su destino-. Una estación de
bombeo consta de una o varias bombas con sus respectivas fuentes, tubería
de succión y descarga, y de las instalaciones civiles y electromecánicas
adecuadas para su operación.
 2.2.2. Bombas
Es una maquina hidráulica que trasfiere energía mecánica a un fluido,
esto es para aumentar la carga disponible para así lograr el desplazamiento
del fluido en una tubería. Con respecto al tipo de bombas que se utilizan en
los sistemas de abastecimiento de agua potable, por lo general son las
bombas centrifugas y las sumergibles.

2.2.3. Selección de equipo de bombeo

El uso de equipos de bombeo para prestar el servicio de agua potable
debe evitarse en lo posible, ya que su operación y mantenimiento representan
un costo considerable que sube el precio del servicio. Si es inevitable el uso
de equipo de bombeo, debe tomarse en cuenta: escoger una bomba con un
rendimiento eficiente, la carga disponible que provea la bomba seleccionada
deberá ser mayor a la requerida en el sistema, selección de equipo adecuados
respecto a las tubería utilizadas- gran potencia cuando los diámetros de la
tubería a utilizar en el sistema sean pequeños y equipos de bombeo de menor
potencia cuando los diámetros de tubería sean grandes-, y la realización de
un estudio preliminar en el sitio del proyecto sobre la disponibilidad de
energía.

2.3. Utilización de válvulas

Las válvulas son accesorios de tuberías que se utilizan para controlar el
caudal que fluye a través de una tubería. Existe diversos tipos de válvulas, de los
cuales mencionaremos los siguientes:

- De cheque. - Permite que el agua fluya en una sola dirección, utilizada para
impedir regreso de flujo.
- De paso. - Utilizada para regular el flujo de ciertos puntos de control.
- De compuerta. - Utilizada en tramos de tubería con flujo de poca presión,
para cesar o permitir el paso del agua.
- De globo. - Utilizada para graduar el flujo, de uso doméstico.
- De flotador. - Utilizada como dispositivo para evitar el rebalse de tanques y
obras de captación- consta de un flotador que abre o cierra de válvula de
acuerdo al nivel del agua en el reservorio-.
 - De aire. - Se colocan en los puntos mas altos de un tramo de tubería, ello
para permitir el escape del aire que se acumula en la línea.
- Rompedoras de presión. - Permiten la reducción de la presión estática en un
tramo de tubería, ello para evitar el uso de tuberías de mayor resistencia para
soportar la presión.
- De limpieza. - Utilizada para interrumpir el flujo en una tubería.
- De alivio. - Utilizada para absorber cambios de presión en un tramo de
tubería, protegiendo así los elementos que estén en dicho tramo.

2.3.1. Válvulas en sistemas de abastecimiento de agua potable

El uso de válvulas en un sistema de abastecimiento de agua potable es
necesario para: la regulación del caudal transportado por el sistema,
asimismo evitar que el agua regrese al pasar ciertos tramos de tubería, la
absorción de cambios de presión, la zonificación de la distribución del agua
en una red, y la protección de los componentes del sistema -captación,
tanques, bombas, entre otros-.

3. EL GOLPE DE ARIETE
3.1. Definición
El golpe de ariete o waterhammer, puede definirse como el fenómeno
hidráulico ocasionado por rápidas fluctuaciones en el flujo, debido a la
interrupción o inicio súbitos del flujo en una tubería, produciendo una variación
de presión por encima o debajo de la presión de operación y cambios bruscos en
la velocidad del flujo. Además, decimos que es el resultado de una
transformación repentina de energía cinética a energía de presión.

3.2. Efectos
- Sobrepresiones. - Rotura de tuberías, daño a elementos fijos y móviles en
instalaciones de bombeo
- Depresiones. - Rotura de tuberías por aplastamiento, acumulación de aire y
cavitación.

3.3. Planteamiento hidráulico del golpe de ariete

Suele tratarse a un liquido como un fluido incomprensible, es decir que el
cambio de densidad con respecto al cambio de presión es despreciable. Los
líquidos se consideran comúnmente como fluidos incompresibles, no obstante,
las ondas de presión los atraviesan; esto es evidencia de la elasticidad de los
líquidos.

En problemas relacionados con el golpe de ariete es necesario tener en cuenta la

compresibilidad del líquido

3.3.1. Introducción al análisis del golpe de ariete

Para poder plantear alguna ecuación que se refiera al golpe de ariete,

de manera previa hay que reconocer que el fenómeno se presenta como
ondas de presión -variaciones de presión-.

Su análisis comienza con la ecuación general de la rapidez de una onda

elástica, también llamada celeridad de onda, cuya formulación es la siguiente
para un líquido:

C=
√ Ev
P

O si se multiplica y divide por g.

C=
√ g
r
Ev

Donde:

C : Celeridad o velocidad de la onda

Ev : Modulo de comprensibilidad volumétrico del fluido

p: Densidad del fluido

r : Peso específico del fluido

g: Aceleración debida a la gravedad

Dado que el fluido viaja dentro de una tubería y esta tiene cierta
elasticidad, en la ecuación anterior el módulo de compresibilidad
volumétrico del fluido se reemplaza por el módulo de volumen combinado
para un fluido en una tubería elástica, el cual considera la acción que ejerce
la tubería ante el flujo.
 El módulo de compresibilidad volumétrico de un fluido Ev , es el
cambio de volumen de un fluido debido a un cambio de presión, se expresa
así:

VolⅆP
Ev=
dVol

Donde:

Ev : Modulo de comprensibilidad volumétrico del fluido

Vol : Volumen unitario de fluido

dP : Cambio de presión

dVol : Cambio de volumen (comprensibilidad del fluido)

Cuando además de deformarse el fluido (cambio de volumen),

también la tubería sufre deformación, en la ecuación de Ev se agrega un
nuevo término referido al cambio en la tubería debido al cambio de presión
(dando lugar a Ec ), la expresión queda de la siguiente manera:

VolⅆP VolⅆP
Ec= +
dVol ⅆ A tub

Donde:

Ec : Módulo de volumen combinado para un fluido en una tubería

elástica

Vol : Volumen unitario de fluido

dP : Cambio de presión

dVol : Cambio de volumen (comprensibilidad del fluido)

Atub : Cambio de sección transversal interna de la tubería

VolⅆP
: Comprensibilidad del fluido debida a la presión ( Ec )
dVol
 VolⅆP
: Comprensibilidad de la tubería debido a la presión
ⅆ Atub

El volumen unitario de fluido en el conducto es el área transversal

interna de la tubería por unidad de longitud:

2
Vol=π r

El cambio de área de la tubería puede expresarse en función del

radio del conducto (variación del área a razón de la variación del radio):

Atub =π r 2 ⇒ ⅆ A tub=πrdr

Donde:

Vol : Volumen unitario de fluido

Atub : Área interna de la tubería

ⅆ Atub : Cambio en la sección transversal interna de la tubería

r : Radio interno de la tubería

dr : Cambio en el radio interno de la tubería

La capacidad de deformarse de la tubería está delimitada por el

módulo de elasticidad E de su material de fabricación:

incremento de Esfuerzo
E=
Incremento de DeformacionUnitaria

Ya que una tubería es un conducto de pared delgada, el incremento

del esfuerzo es la variación del radio de la tubería a causa del cambio de
presión con respecto al espesor de la misma:

rⅆ P
Incremento de Esfuerzo=
ⅇ

La deformación unitaria de la tubería expresada en términos de la

longitud de su circunferencia (perímetro) es:

ⅆl
Circunferencia=2 πr ⇒ Deformacion Unitaria= ; dl=2 π dr
2 πr

Sustituyendo ⅆl en la deformación unitaria:

 2 πⅆr ⅆr
Deformacion Unitaria= ⇒
2 πr r

Donde:

r : radio interno de la tubería

dP : Cambio de presión

dr : Cambio en el radio interno de la tubería

e : Espesor de la tubería

dl : Cambio en la longitud de la circunferencia de la tubería

Sustituyendo el incremento de esfuerzo y la deformación unitaria en

E:

r 2 dP
E=
ed r

De la expresión anterior se puede despejar la variable dP :

eEdr
dP=
r2
E : Modulo de elasticidad del material de la tubería
dP : Cambio de presión
r : Radio interno de la tubería
dr : Cambio en el radio interno de la tubería
e : Espesor de la tubería

Entonces, la compresibilidad volumétrica del conducto, sustituyendo

el volumen, el diferencial del área interna de la tubería en términos del radio
y la expresión hallada para el cambio de presión, tenemos:
ⅇE d r
( π r 2)
r2
πrⅆr
Simplificando el termino:
ⅇE ⅇE
; D=2 r ⇒
2r D
Donde:
 ⅇE
: Comprensibilidad de la tubería debido a la presión
D
E : Modulo de elasticidad del material de la tubería
r : Radio interno de la tubería
ⅆr : Cambio en el radio interno de la tubería
D : Diámetro interno de la tubería
e : Espesor de la tubería

El módulo de volumen combinado de un fluido Ec es:

ⅇE
Ec=Ev+
D
Arreglando la expresión de otra manera, elevando ambos lados de la
misma a la (-1) potencia:
1 1 D
= +
Ec Ev ⅇE
Despejando Ec :
1
Ec=
1 D
+
Ev eE
Donde:
Ec : Modulo de volumen combinado para un fluido en una tubería
elástica
Ev : Módulos de comprensibilidad volumétrico del fluido
E : Modulo de elasticidad del material de la tubería
D : Diámetro interno de la tubería
e : Espesor de la tubería
Entonces, la ecuación de la celeridad de la onda queda de la siguiente
forma:

C T=
√ g
r
Ec

Sustituyendo Ec por la expresión completa:

√
g
C T=
γ ( Ev1 + ⅇDE )
Donde:
 C T : Celeridad o velocidad de la onda de presión dentro de la
tubería
Ec : Modulo de volumen combinado para un fluido en una tubería
elástica
g: Aceleración debida a la gravedad
γ : Peso específico del fluido
Ev : Modulo de comprensibilidad volumétrico del fluido
E : Modulo de elasticidad del material de la tubería
D : Diámetro interno de la tubería
e : Espesor de la tubería

3.4. Sobrepresión por el golpe de ariete

El cierre en una válvula en una tubería provoca el corte en la circulación del fluido -
reducción de la velocidad de circulación a cero- generándose una onda de presión que
aumentará la tensión de trabajo esperada en las paredes de la tubería, pudiendo llegar en
casos extremos a su rotura. Siempre que el tiempo de cierre de la válvula sea inferior al
tiempo de prolongación de ondas de choque -desde la válvula hasta la embocadura de la
tubería y vuelta de nuevo hasta la válvula- se manifestará este fenómeno.