El control de los transitorios de fluidos en los sistemas de tuberías (2ª PARTE)

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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 t_D, del orden de magnitud o más corto que el tiempo de propagación t_p, 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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