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Golpe de ariete: transitorios hidráulicos en tuberías a presión

Pablo Rojas2 min de lectura

En este artículo
  1. Qué ocurre físicamente
  2. La sobrepresión de Joukowsky
  3. La celeridad de la onda
  4. Cierre rápido o lento
  5. Cómo se protege la conducción
Tubería de acero de gran diámetro con válvulas en una sala de bombeo de agua

Cierra de golpe la llave de una manguera y sentirás un "golpe" en el tubo. Llevado a una conducción de kilómetros, ese fenómeno —el golpe de ariete (water hammer)— genera sobrepresiones capaces de reventar tuberías, dañar bombas y colapsar conducciones. Es uno de los transitorios hidráulicos más importantes del diseño de sistemas a presión.

Qué ocurre físicamente

Cuando una válvula se cierra (o una bomba se detiene) bruscamente, la columna de agua en movimiento no puede frenar de inmediato: su energía cinética se convierte en una onda de presión que viaja por la tubería, se refleja en los extremos y oscila entre sobrepresión y depresión hasta amortiguarse. La depresión es igual de peligrosa: puede provocar cavitación o el colapso de la tubería.

La sobrepresión de Joukowsky

Para un cierre instantáneo, la sobrepresión máxima la da la ecuación de Joukowsky:

ΔH=a Δvg\Delta H = \dfrac{a\,\Delta v}{g}

donde ΔH\Delta H es el aumento de carga (m), Δv\Delta v el cambio de velocidad del agua (m/s), gg la gravedad y aa la celeridad de la onda. Una variación de apenas 1 m/s puede generar más de 100 m de columna de agua de sobrepresión.

La celeridad de la onda

La velocidad de propagación depende de la compresibilidad del agua y de la elasticidad de la tubería:

a=K/ρ1+K DE ea = \dfrac{\sqrt{K/\rho}}{\sqrt{1 + \dfrac{K\,D}{E\,e}}}

con KK el módulo de compresibilidad del agua, ρ\rho su densidad, DD el diámetro, ee el espesor de pared y EE el módulo de elasticidad del material. En tuberías rígidas aa se acerca a 1.400 m/s; en plásticas, mucho menos.

Cierre rápido o lento

La clave práctica es el tiempo crítico tc=2L/at_c = 2L/a (el tiempo que tarda la onda en ir y volver, con LL la longitud). Si la válvula se cierra en un tiempo menor, el cierre es "rápido" y aplica Joukowsky completo; si es mayor, el cierre "lento" reduce la sobrepresión.

Cómo se protege la conducción

  • Cierres lentos de válvulas y arranque/parada controlados de bombas.
  • Chimeneas de equilibrio y calderines (tanques hidroneumáticos) que absorben la onda.
  • Válvulas de alivio, ventosas y volantes de inercia en las bombas.

El diseño se verifica con software de transitorios que resuelve las ecuaciones de Allievi a lo largo de la tubería.

Fuentes: Joukowsky (1898); Allievi; revisión de water hammer (Wikipedia).

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