El control de los transitorios de fluidos en sistemas de tuberías (3ª PARTE)

Ver 2ª PARTE

·         Ρ_m = Densidad de la mezcla de líquido, lb/in3

·         P_G = Presión del gas, psi

·         K_L = Módulo de masa de elasticidad del líquido, 318.000 psi con agua a 70 ºF.

·         t = Espesor de la pared de la tubería, pulgadas

·         E = Módulo de Young de la tubería, psi

Tasa de relleno de la bomba

La tasa de relleno es, pulgadas³/s

·         Qmax = Caudal máximo, in³/s

·         τ = Tiempo de arranque de la bomba, s

·         A = Área de caudal de la tubería, pulgadas²

·         Velocidad del flujo, pulgadas/s

La posición del líquido en la tubería, viene dada por:

y la fuerza resultante en el codo de una tubería es:

Prevención del golpe de ariete del líquido

El primer paso para prevenir un golpe de ariete de líquido es reconocer su probabilidad. La disposición de los componentes debe seleccionarse para prevenir rápidos movimientos transitorios. Finalmente, los sistemas deben ser operados para eludir golpe de ariete. Está claro de lo descrito hasta ahora que es ventajoso ralentizar el cierre de las válvulas de aislamiento. Para hacer esto, el transitorio de cierre de las válvulas será en forma de flujo a granel con una onda de presión insignificante. Con las válvulas de control, es ventajoso tener el cierre de las válvulas con un desplazamiento corto para limitar la cantidad de flujo, y por lo tanto la velocidad del cierre de la válvula y la magnitud de la fuerza golpeando.

Puede añadirse un tanque de compensación atmosférico puede ser añadido aguas arriba para el rápido aislamiento de válvula que absorben la ola de presión causada por el cierre y apertura de la válvula. Durante la operación normal, el nivel de agua en el tanque de compensación se acopla a la línea de grado hidráulico en el punto de enlace. Antes que desplazarse a través de la línea, el incremento de presión en la tubería debido al cierre será absorbido en el tanque, por un incremento temporal del nivel del depósito. A la inversa, la caída de presión a la altura de la válvula se compensará por una disminución temporal en el nivel del tanque de compensación. Para eludir la construcción de un tanque de compensación alto para absorber la presión de la tubería, puede usarse un segundo tipo de tanque de compensación, unidireccional. En este caso, el tanque se llena bajo la presión de operación normal. Una válvula de control cerrada por la presión de la línea retiene los contenidos del tanque. Cuando cae la presión de la línea, el contenido de tanque de compensación se descarga en la línea, para compensar la caída de presión. Un tercer tipo de tanque de compensación es la cámara de aire. Aquí, los contenidos del tanque de compensación se mantienen a presión mediante aire o nitrógeno comprimido.

Golpe de ariete líquido-vapor en dos fases

Golpe de ariete vapor-agua

Los transitorios líquido-vapor de dos fases son transitorios que tienen lugar cuando el líquido coexiste en la tubería con su vapor, una fase se convierte en la otra cuando la presión se eleva o cae. El ejemplo clásico ocurre en líneas de vapor que contienen condensado de agua. Los transitorios tienen lugar bajo estas condiciones que pueden ser extremadamente violentas, llevando a la ruptura de la tubería y, en el caso del vapor, debido a las altas temperaturas y energías implicadas.

La descripción de este problema fue correctamente descrita en 1883 por Thurston y poco puede aportarse desde entonces:

“Cuando una tubería se llena de vapor, y luego se introduce una cantidad de agua fría, o cuando una tubería se enfría, y contiene agua fría, incluso en muy pequeñas cantidades, y sin presión, el primer contacto entre los dos fluidos viene acompañado por una condensación repentina que causa un golpe fuerte al ser golpeado, usualmente en el punto de entrada; y a veces una sucesión de tales golpes, que son más profundos en tuberías grandes, en las cuales pueden ser asombrosos o incluso peligroso. El vapor, a la entrada, pasa sobre, o entra en contacto con la superficie del agua fría que descansa en la tubería. La condensación ocurre, al principio muy lentamente, pero también más rápidamente, y luego tan rápidamente que la superficie del contacto entre los dos fluidos se rompe y luego se completa tan rápidamente que produce un vacío. El agua que rodea este vacío luego se proyecta violentamente de todos lados en el espacio vacío, y cruzándolo, golpea las superficies que lo rodean. Como el agua es casi incomprensible, golpea como un cuerpo sólido... Donde las tuberías no rompen por esta  acción, es común verlas levantarse y torcerse, rompiéndose sus conexiones y, cuando ocurre una sucesión de shocks, como a menudo es el caso, toda la línea se retuerce y salta de forma que causa alarma. La presión que puede producirse tras el golpe de ariete excede en muchos casos las mil libras por pulgada cuadrada. Evidentemente no es a menudo seguro calcular cumpliendo estas tremendas tensiones por peso y espesor del metal”.

Bibliografía

• Piping and Pipeline Engineering. Design, Construction, Maintenance, Integrity, and Repair. George A. Antaki