Ver 1ª PARTE
Por ejemplo, si una válvula está cerrada lentamente en el agua a temperatura ambiente (ρ = 62,4 lb/ft3) fluyendo a 10 ft/s, la presión se elevará en dP = 0,7 psi, prácticamente despreciable.
Por ejemplo, si una válvula está cerrada lentamente en el agua a temperatura ambiente (ρ = 62,4 lb/ft3) fluyendo a 10 ft/s, la presión se elevará en dP = 0,7 psi, prácticamente despreciable.
La fuerza de
momento ejercida en una válvula cerrando gradualmente y linealmente en caudal a
granel es:
Golpe de ariete
Si el cambio
en la velocidad del caudal ocurre sobre un periodo corto de tiempo tD,
del orden de magnitud o más corto que el tiempo de propagación tp,
entonces el transitorio de caudal es un golpe de ariete. En este caso, la
elevación de presión debido al cierre de la válvula rápido e instantáneo
(tD<tp) viene dado por la fórmula de Joukowsky:
La gran
elevación de la presión dP que acompaña un golpe de ariete tiene dos efectos
perjudiciales: primero, algunos accesorios de tubería o componentes, por
ejemplo cuerpos de válvula de fundición, instrumentos o juntas de expansión, o
incluso la tubería en si misma, puede no ser capaz de resistir la presión
incrementada P + dP, y pueden fallar rompiéndose bajo la presión transitoria.
Segundo, en cambios en dirección o sección transversal, la elevación de presión
causará cargas axiales desequilibradas A(dP) donde A es el área de sección transversal
del obstáculo o el área de tubería en un codo. Bajo el efecto de esta fuerza
desequilibrada, la tubería puede moverse y curvarse, causando potencialmente la
ruptura de los soportes y guías, deformación de plásticos, y posiblemente la
rotura de la tubería.
Si la
distancia entre los codos opuestos es L, el desequilibrio de presión entre el
codo en P + dP y el codo P durará un corto tiempo tE = L/a, hasta que la onda
de presión alcance el segundo codo. Durante ese periodo, el segmento de tubería
está sujeto a una fuerza (P + dP) a que empuja el codo hacia la izquierda, y
una fuerza PA que empuja el codo de la derecha a la derecha. El resultado es
una fuerza axial F = (P + dP)A – PA = (dP) A hacia la izquierda. Esta fuerza se
aplica muy rápidamente (dinámicamente) y dura durante un periodo de tiempo tE
hasta que la onda de presión despeja el codo y alcanza la posición D. En este
punto el codo de la derecha está a una presión P +dP y la fuerza
correspondiente (P+dP)A equilibra la fuerza en el codo de la izquierda. Esto es
en realidad una fuerza de impulso muy corta, como si la tubería fuese golpeada
a lo largo de sus ejes, entre los dos codos, con un martillo dinámico.
La fuerza
dinámica aplicada a la tubería es:
Características de la válvula
En la
práctica, el tiempo de cierre de la válvula depende del tiempo de cierre tD en
las características de la válvula, la relación entre la posición del vástago (o
ángulo de disco o ángulo de bola) y caudal.
Algunas
características de válvulas comunes incluyen apertura rápida, lineal,
porcentaje igual e hiperbólica. En la práctica, muchas válvulas de bola y
mariposa, tapón, puerta tienen características entre porcentaje lineal e igual.
Si en una válvula todavía pasa un 90 % de la tasa de caudal incluso cuando el
vástago de la válvula se ha desplazado un 50 5 de su distancia. En este caso,
el tiempo de cierre de la válvula es, para todos los propósitos prácticos,
menos de la mitad que el tiempo de cierre actual.
Transitorios de una a dos fases
Hemos visto
que un transitorio de presión debido a un cierre de válvula resulta en una onda
de presión que repentinamente incrementa la presión desde su valor inicial P a
P + dP. Este incremento es seguido por una caída a P – dP, con fluctuaciones
hacia atrás y adelante entre P + dP y P – dP, hasta que las fluctuaciones de
presión gradualmente cesan.
En el caso
en el que la elevación de presión dP es mayor que la presión inicial P
entonces, cuando la presión transitoria cae a P1 – dP, caerá a una presión negativa, por debajo
de la presión de vapor del líquido, y parte del líquido vaporizará durante el
transitorio.
Ahora
consideremos un hueco de vapor rodeado por el líquido sometido al cambio de
presión transitoria. Esto es una condición inestable. El líquido rodeando al
hueco de vapor en un punto se apresurará a vapor y colapsará la burbuja de
vapor. Este colapso dará lugar a la elevación de un golpe de presión alto, y a
veces viene acompañado por un “bang” alto.
El
transitorio líquido monofásico se desarrolla en un transitorio líquido-vapor de
dos fases más dañino aún. La velocidad del sonido en una mezcla de gas –
líquido es:
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