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“Año de la unidad la paz y el desarrollo” UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA CURSO: FÍSICA GENERAL II DOCENTE: Mg. DENIS MANUEL ABANTO GONZALES GOLPE DE ARIETE INTEGRANTES: - LOJE POLO, IBETH AKENMY - RIOS FERNÁNDEZ, ESTEFANY RAQUEL - RODRÍGUEZ SAAVEDRA, LUIS MIGUEL TRUJILLO - PERÚ 2023 Resumen Esta práctica fue utilizada para acercar al alumno al aprendizaje de las fluctuaciones de presión resultantes en carreras de rápida fluidez así ampliar y enriquecer el conocimiento de los principios físicos, inherentes en las consecuencias provocadas por la estrangulación de las tuberías. Aquí, las sondas generan ondas de presión para bloquear repentinamente la salida del líquido con una válvula que a su vez regulaba el flujo, el fluido utilizado fue agua, en este experimento se observó e investigó el comportamiento de las ondas de presión en la tubería, una chimenea escalonada por la que él y el bajo volumen hasta que el sistema funcione después de un cierto periodo de tiempo llegó a un equilibrio. El experimento se realizó sobre la base del comportamiento de flujos más allá de su influencia, lo que manifestó un bloqueo repentino de la válvula provocando un fenómeno de golpe de ariete. Finalmente, dado el esquema de las variables involucradas (altura, caudal, etc.) correspondientes a la columna de líquido dispuesta según el tiempo, se continuó con su análisis e inferencias correspondientes. Con este experimento que se constató como prueba para determinar cuánto sufrían las tuberías de las casas o negocio por las consecuencias del "golpe de ariete", y como a gran escala puede afectar la producción en cierta industria; este es un fenómeno que se estudia en la rama de la mecánica de fluidos conocida como "hidráulica de tuberías". En líneas generales, el estudio del golpe de ariete implica el análisis de los principios de la hidrodinámica, la cinética de fluidos y la propagación de ondas en tuberías. Se utilizan ecuaciones y modelos matemáticos para comprender y predecir el comportamiento de las ondas de presión, así como técnicas de mitigación y diseño de sistemas que minimicen los efectos del golpe de ariete, como el uso de válvulas de alivio, válvulas de cierre lento y dispositivos de amortiguación. El fenómeno del golpe de ariete es un tema importante dentro de la mecánica de fluidos, específicamente en el campo de la hidráulica de tuberías, donde se investiga y se busca controlar los efectos adversos de las ondas de presión generadas por cambios bruscos en el flujo de fluido en tuberías. I. OBJETIVOS ● GENERALES: - Estudiar las fluctuaciones de la presión causadas por el estrangulamiento rápido de una corriente líquida. - Conocer las expresiones matemáticas que fundamentan el fenómeno físico del golpe de ariete a través de la demostración de sus fórmulas. ● ESPECÍFICO: - Analizar la influencia del caudal en el efecto del golpe de ariete. II. MARCO TEÓRICO El "golpe de ariete" es un fenómeno que se estudia en la rama de la mecánica de fluidos conocida como "hidráulica de tuberías". El golpe de ariete se produce cuando hay cambios abruptos en el flujo de un fluido en una tubería, especialmente cuando se interrumpe o se cierra bruscamente el flujo. Principio de funcionamiento de la bomba de ariete El fenómeno del golpe de ariete se debe a las ondas de presión que se generan y se propagan a lo largo de la tubería debido a la inercia del fluido. Estas ondas de presión pueden causar fluctuaciones significativas en la presión y el caudal del fluido, lo que puede generar problemas en las tuberías y los sistemas de distribución, como daños estructurales, roturas de tuberías, golpeteo y ruidos. Aplicaciones de la bomba de ariete El estudio del golpe de ariete implica el análisis de los principios de la hidrodinámica, la cinética de fluidos y la propagación de ondas en tuberías. Se utilizan ecuaciones y modelos matemáticos para comprender y predecir el comportamiento de las ondas de presión, así como técnicas de mitigación y diseño de sistemas que minimicen los efectos del golpe de ariete, como el uso de válvulas de alivio, válvulas de cierre lento y dispositivos de amortiguación. Ventajas y desventajas de la bomba de ariete En el campo de la mecánica de fluidos, el fenómeno del golpe de ariete presenta tanto ventajas como desventajas. A continuación, algunas de ellas son: Ventajas del golpe de ariete: Energía adicional: El golpe de ariete puede generar un aumento temporal en la presión y el caudal del fluido, lo que puede ser aprovechado en ciertas aplicaciones, como sistemas de bombeo para superar ciertas restricciones o para proporcionar una mayor energía para el funcionamiento de dispositivos específicos. Desventajas del golpe de ariete: Daños estructurales: El golpe de ariete puede generar picos de presión significativos que pueden dañar las tuberías y los componentes del sistema de distribución. Esto puede resultar en roturas de tuberías, daños en las válvulas y conexiones, y un desgaste prematuro de los equipos. Ruido y vibraciones: Las fluctuaciones bruscas de presión y flujo causadas por el golpe de ariete pueden generar ruidos y vibraciones indeseables en las tuberías y los equipos asociados. Esto puede ser una molestia para las personas que trabajan en el entorno y puede causar daños adicionales a los componentes debido a la vibración. Mayor consumo de energía: El golpe de ariete puede provocar un aumento en la pérdida de carga en el sistema, lo que se traduce en una mayor resistencia al flujo y, por lo tanto, un mayor consumo de energía. Esto puede ser una desventaja en términos de eficiencia energética y costos operativos. Para mitigar los efectos negativos del golpe de ariete, se pueden aplicar diversas medidas: Uso de dispositivos de amortiguación: Se pueden instalar dispositivos, como tanques de amortiguación o válvulas de alivio, que absorban las fluctuaciones de presión y eviten que se propaguen por el sistema. Estos dispositivos ayudan a reducir los picos de presión y minimizan los daños estructurales. Diseño adecuado de las tuberías y los componentes: Se pueden utilizar diseños de tuberías y componentes que minimicen los cambios bruscos en el flujo y reduzcan la probabilidad de ocurrencia del golpe de ariete. Por ejemplo, se pueden utilizar tramos rectos de tubería antes y después de las válvulas de cierre rápido para suavizar las transiciones. Control de válvulas: Es importante controlar de manera adecuada la apertura y cierre de las válvulas en el sistema para evitar cambios bruscos en el flujo que puedan desencadenar el golpe de ariete. Se pueden utilizar técnicas de cierre lento para minimizar el impacto del golpe de ariete. Es fundamental considerar estas medidas de mitigación durante el diseño, la instalación y el mantenimiento de los sistemas de fluidos para evitar o minimizar los efectos negativos del golpe de ariete y garantizar un funcionamiento seguro y eficiente. III. MATERIALES Y EQUIPOS ● Jeringas: 5ml 10ml ● Esfera: ● Botella plástica: ● Gancho con perno: ● Arandelas y tuercas: Tablero de madera40 x 20 cm Abrazaderas y tornillos Manguera transparente (3 mts) IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para preparar el sistema 1) Se procedió a abrir la válvula del tanque para el llenado de la tubería. 2) Se midió la altura del agua en la chimenea. 3) Se acciono la llave de cierre rápido. 4) Se procedió a tomar las lecturas de la variación de altura del fluido en la chimenea hasta que esta alcanzara el equilibrio. Junto con esto se tomaron los tiempos correspondientes a dichas variaciones. 5) Se abrió la llave de cierre rápido para así medir el caudal. 6) Se disminuyó el caudal. 7) Se midió el nuevo caudal. 8) Se repitieron los pasos 3 y 4 9) Se repitieron los pasos 6, 7 y 8. Procedimiento y puesta en funcionamiento A) Para hacer la bomba ahora el primer paso es hacer la válvula check se hizo uso de unas jeringas para poder dar paso al caudal de agua proveniente del suministro. B) Luego con la adaptación de todo el sistema y haciendo las conexiones a un suministro de fluido elevado y otro como un desfogue a una altura mayor a la del suministro, se procede a verificar que el fluido se desplace por todo el sistema partiendo del tanque hacia el sistema que bombeará el fluido hacia el desfogue permitiendo al fluido continuar el recorrido superando las condiciones de gravedad y presión ejercidas en el interior del sistema, esto logrado aprovechando la energía cinética del fluido que se produce al estar en movimiento el fluido fluctuando la presión en el sistema por el efecto producido por el fenómeno del golpe de ariete. V. ANÁLISIS DE RESULTADOS Para la recolección de datos de esta práctica se realizó mediante una tubería que se llenó completamente de agua, esta contaba con una válvula de estrangulamiento la cual se utilizó para variar los caudales, también se utilizó para cerrar bruscamente la válvula y así observar la variación de altura por la chimenea. En la fig. 2 se puede observar claramente como los mayores saltos se dan al inicio del proceso lo que indica que la mayor presión se obtiene al momento de cerrar la válvula bruscamente. El caudal mayor es el que tarda más en estabilizarse y se manifiesta un poco más tarde que los otros dos caudales. El mayor tiempo para alcanzar el equilibrio de la onda fue para el caudal mayor. El golpe de ariete a gran escala puede ser muy peligroso, y todos entienden la necesidad de establecer medidas en contra de él. Por otra parte, el golpe de ariete a menor escala generalmente es ignorado. A pesar de que toma mayor tiempo, también el golpe de ariete a menor escala generalmente conduce a daños. Desde un punto de vista de mantenimiento, es imperativo que de igual manera se tomen medidas en contra de este tipo de golpe de ariete. VI. CONCLUSIONES En líneas generales, el estudio del golpe de ariete implica el análisis de los principios de la hidrodinámica, la cinética de fluidos y la propagación de ondas en tuberías. Se utilizan ecuaciones y modelos matemáticos para comprender y predecir el comportamiento de las ondas de presión, así como técnicas de mitigación y diseño de sistemas que minimicen los efectos del golpe de ariete, como el uso de válvulas de alivio, válvulas de cierre lento y dispositivos de amortiguación. El fenómeno del golpe de ariete es un tema importante dentro de la mecánica de fluidos, específicamente en el campo de la hidráulica de tuberías, donde se investiga y se busca controlar los efectos adversos de las ondas de presión generadas por cambios bruscos en el flujo de fluido en tuberías. VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BOHORQUEZ, D. y VELÁSQUEZ, C. (2015). Montaje de un modelo físico para la prueba de la incidencia del fenómeno de golpe de ariete en diversas longitudes de tubería. Bogotá D.C, 2015, 84p. Trabajo de investigación. Universidad Católica de Colombia. Facultad de ingeniería. Programa de Ingeniería Civil. Guevara-Rodríguez, G., Vargas-Obando, A., & Quesada-Chanto, JI (2021). Prevención del golpe de ariete mediante el control del tiempo de cierre, al usar válvulas hidráulicas automatizadas. Revista Tecnología En Marcha. https://doi.org/10.18845/tm.v34i1.4821 Romero, E. y Abel, W. (2015). Análisis de golpe de ariete para reducir la sobrepresión en el sistema de bombeo del tanque TK-007 al cajón LA003B de la presa de relaves de SMCV. Universidad Nacional del Centro del Perú. https://doi.org/10.18845/tm.v34i1.4821 VIII. ANEXOS Anexo N° 01. Fotografías de la maqueta elaborada para el experimento Figura 1. Construcción de maqueta que representa fluctuación de presiones por el golpe de ariete. Figura 2. Puesta en funcionamiento del sistema a escala para el bombeo de fluido por diferencia de fluctuación de presiones producida por el golpe de ariete. Anexo N° 02. Ejercicios modelo Problema 01 Calcúlese la velocidad de la onda en una tubería de 600 mm de diámetro, que tiene una capa de acero (k'-2.1010 kgf/m2) de 1 mm de espesor y otra de hormigón (k-2.109 kgf/m2) de 60 mm. Solución Para el Espesor equivalente 𝑒 = 𝑒1 + 𝑒2 ∗ 𝐾′ 2 𝐾′ 1 = 1 + 60 ∗ ( 2 ∗ 109 2 ∗ 1010 ) = 7 𝑚𝑚 Velocidad de propagación 𝑐 = 9900 √48.3 + 𝑘 ∗ 𝐷 𝑒 = 9900 √48.3 + 0.5 ∗ 600 7 = 1037 𝑚/𝑠 Problema 02 Calcúlese el golpe de ariete en una conducción de acero de 4000 m de longitud, 1m de diámetro y 9 mm de espesor (Q-1.5 m3/s y T= 3s). Solución Celeridad de la onda 𝑐 = 9900 √48.3 + 𝑘 ∗ 𝐷 𝑒 = 9900 √48.3 + 0.5 ∗ 1000 9 = 970 𝑚/𝑠 Longitud crítica 𝐿𝑐 = 𝑇∗𝑐 2 = 3.970 2 = 1455 𝑚= c = 500 m/s c) Para verificar la capacidad de la tubería para resistir el golpe de ariete, comparamos las presiones generadas por el fenómeno con los límites soportados por la tubería. La presión máxima generada por el golpe de ariete es 8 veces la presión estática: Pmax = 8 * P0 La presión mínima generada por el golpe de ariete es -1.5 veces la presión estática: Pmin = -1.5 * P0 Comparamos estos valores con los límites de presión soportados por la tubería. Si los valores se encuentran dentro de los límites, la tubería tiene capacidad para resistir el golpe de ariete. d) Las vibraciones inducidas por el golpe de ariete al cerrar rápidamente la válvula pueden afectar la resistencia estructural de la tubería debido a las fuerzas y deformaciones generadas. Estas vibraciones pueden provocar vibraciones excesivas, fatiga del material y daños estructurales. Para mitigar sus efectos, se pueden tomar medidas como: ● Diseñar la tubería con materiales resistentes y adecuados para soportar las vibraciones y presiones generadas por el golpe de ariete. ● Implementar sistemas de amortiguación, como dispositivos de absorción de choque, para reducir las vibraciones y proteger la integridad de la tubería. ● Realizar un análisis detallado de la resistencia estructural de la tubería, considerando las vibraciones inducidas por el fenómeno y aplicando métodos de cálculo y derivación avanzados.
