02 agosto 2012

El control de los transitorios de fluidos en los sistemas de tuberías (1ª PARTE



Los transitorios de fluidos son cambios repentinos en la velocidad y presión del fluido. Estos transitorios son importantes porque pueden causar grandes fuerzas y sobrepresión que pueden hacer fallar las tuberías y sistemas de apoyo. Los transitorios de fluidos son evidentes cuando los operadores escuchan ruidos que vienen de las tuberías, o perciben movimientos violentos, en algunos casos las tuberías saltan sobre sus soportes y se deforman visiblemente, se agrietan o incluso se rompen. Las roturas de tuberías por los transitorios de fluidos se deben a las grandes y repentinas sobrepresiones que rompen la tubería o a las tensiones excesivas o fuerzas en curvas causadas por grandes desequilibrios causados por grandes desequilibrios de presión en el sistema.
Los transitorios del fluido pueden deberse a una de cuatro causas.


  1. En el primer caso el sistema está lleno de líquido fluyendo, El transitorio en un sistema lleno de líquidos se debe a cambios repentinos en la velocidad del fluido (dv) que da como resultado grandes cambios de presión (dP). Estos cambios en la presión causan fuerzas (F) y sobrepresiones (P + dP) en el sistema.
  2. En el segundo caso el sistema contiene líquido y su vapor (por ejemplo agua y vapor). Aquí, el transitorio se debe a su enfriamiento y subsiguiente colapso del vapor, causando lo que a menudo se refiere como golpe de ariete de colapso de burbuja. Cuanto más grandes son las burbujas, más violentos son los transitorios.
  3. El tercer caso es aquel en el que un flujo de líquido y gas mezclados, causan fluctuaciones de presión y fuerzas transitorias en la tubería. Un ejemplo de transitorios es la mezcla de agua y aire en una manguera de jardín. En el último caso un flujo puramente gaseoso causa un transitorio de fluido cuando el gas repentinamente descarga a través de un orificio, que es por ejemplo el caso durante la descarga de una válvula de seguridad en un sistema de gas o vapor.

Fase de líquido simple

Un líquido fluye firmemente a una velocidad v y presión P de un depósito a través de una válvula. Si la válvula se cierra, el líquido que se aproxima a una válvula se para, su velocidad es v=0 y su presión se ha incrementado a P + dP. Si esta situación lleva a una  velocidad del fluido y presión instantánea, un breve instante después la válvula se ha cerrado, veremos una interfaz entre el líquido parado (v = 0 y P+dP) y el resto del fluido está moviéndose a una velocidad v y presión P. Esta interfaz es el frente de una onda de presión con presiones P  + dP en un lado y P en el otro, moviéndose aguas arriba en el líquido a la velocidad del sonido.
Cuando el frente de la onda alcanza el depósito, toda la tubería está a una presión P + dP.  En este punto, la presión en la tubería en la entrada del depósito cae a P. La presión ha caído a P en el depósito, y esta caída de presión desde P + dP a P se desplaza hacia atrás en la válvula.
Cuando la presión que cae alcanza la válvula cerrada, toda la tubería está a presión P, pero un importante efecto, que no es evidente, tiene lugar ahora: la onda de presión  se refleja en la válvula y, habiendo caído de P + dP a P, continúa cayendo por una cantidad igual a dP, desde P a P – dP. Esta baja presión P – dP ahora se desplaza también hacia el depósito.
Estos movimientos hacia atrás y hacia delante de la onda de presión, que varían entre P + dP y P – dP, continúan en unos pocos ciclos, antes de desaparecer por fricción y pérdida de energía a través de la pared de la tubería.
Si L es la distancia entre depósito y válvula, y ya que la onda de presión se desplaza a la velocidad del sonido a, tiene lugar en un tiempo tp, para que la onda de presión se desplace de la válvula al depósito y hacia atrás, una distancia 2L, con

·         tp = Tiempo de propagación segundos.
·         L = Distancia desde la perturbación de presión, m
·         a = Velocidad del sonido en el fluido, m/s
tD es el tiempo en el que ocurre la perturbación de presión inicial, por ejemplo el tiempo que tarda la válvula en cerrarse. Si el tiempo de perturbación es mucho mayor que tp  ello conlleva que la onda de presión tenga un recorrido round,  tD>>tp el cierre de la válvula es lento. Si tD es igual o más corto que el tiempo de desplazamiento el transitorio es un golpe de ariete acompañado por un incremento de presión mucho más grande, como resumimos en la siguiente tabla:
fp
Descripción
Clasificación
<2L/a
Instantáneo
Golpe de ariete
˜̃2L/a
Rápido
Golpe de ariete
>>2L/a
Lento
surge


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