El término “golpe de ariete” se usa para describir un aumento súbito de la presión causado por la detención forzada o el cambio repentino de dirección de un fluido en movimiento (cambio de momento)1.
Este fenómeno puede suceder al cerrar repentinamente una válvula al final de un sistema de tuberías, dando lugar a la propagación de una onda de presión a través de la tubería correspondiente. También
pueden producirse golpes de ariete al acelerar bruscamente un líquido y forzar un cambio de momento a continuación. El “golpe de ariete” es conocido también como “impacto hidráulico”.
Los siguientes son ejemplos de golpes de ariete:
• Deceleración repentina. Pueden originarse fuerzas de gran impacto al cerrar rápidamente una válvula.
• Aceleración repentina. Es frecuente durante el inicio y la finalización de los procesos de desescarche por gas caliente. Este fenómeno es conocido también como “golpe de líquido impulsado por vapor” (VPLS, por sus siglas en inglés).
• Impacto hidráulico inducido por compensación (CIS, por sus siglas en inglés). Condensación repentina de burbujas de vapor en líquidos altamente subenfriados (< 20 K).
Este artículo no cubre este fenómeno.
1.2 Deceleración repentina
Se puede comprobar el aumento súbito de la presión que tiene lugar durante la deceleración repentina de un líquido en movimiento al observar una columna o flujo de líquido en movimiento en una tubería antes de una válvula o armadura (consulte la figura 1).
Cuando el flujo de líquido se detiene bruscamente, se ejerce una fuerza contra la sección transversal de la válvula o armadura que equivale a la fuerza resultante de la tasa del cambio de momento.
La fuerza generada por la deceleración se puede calcular como:
Ejemplo
Una válvula solenoide se instala en un tramo recto de 20 metros de una línea de líquido ligeramente subdimensionada (velocidad de 3 m/s ). El refrigerante es amoníaco (densidad de 600 kg/m3). El tiempo de cierre de la válvula solenoide se estima en 20 ms.
Una válvula solenoide se instala en un tramo recto de 20 metros de una línea de líquido ligeramente subdimensionada (velocidad de 3 m/s ). El refrigerante es amoníaco (densidad de 600 kg/m3). El tiempo de cierre de la válvula solenoide se estima en 20 ms.
Se trata de un exceso de presión que, por tanto, supera la presión de líquido ya existente en el sistema (frecuentemente conocida como “presión de condensación”). Esto puede dar lugar con facilidad a un
exceso de la presión máxima de trabajo de los componentes.
El impacto hidráulico causado por la deceleración puede apreciarse cerrando bruscamente la válvula y, con el tiempo, puede originar fracturas por tensión.
exceso de la presión máxima de trabajo de los componentes.
El impacto hidráulico causado por la deceleración puede apreciarse cerrando bruscamente la válvula y, con el tiempo, puede originar fracturas por tensión.
Recomendaciones
Si la válvula solenoide se instala en una línea de líquido HP (por ejemplo, la línea de alimentación de un recipiente LP) y no es de tipo pilotado, el tiempo de cierre será notablemente corto debido a la elevada presión diferencial a través de la válvula.
Cabe considerar, por tanto, la instalación de un control de nivel de líquido proporcional con una válvula motorizada (consulte la figura 2).
Si la válvula solenoide se instala en una línea de líquido HP (por ejemplo, la línea de alimentación de un recipiente LP) y no es de tipo pilotado, el tiempo de cierre será notablemente corto debido a la elevada presión diferencial a través de la válvula.
Cabe considerar, por tanto, la instalación de un control de nivel de líquido proporcional con una válvula motorizada (consulte la figura 2).
En el caso de los evaporadores inundados, deben evitarse los tramos de tubería demasiado largos entre la válvula solenoide y el dispositivo de regulación (válvula de regulación de accionamiento manual). Al activar la válvula solenoide, la irrupción repentina de líquido puede provocar golpes de ariete en la válvula de regulación de accionamiento manual (consulte la figura 3).
Debe garantizarse también el correcto dimensionamiento de todas las estaciones de válvulas de la línea de líquido teniendo en cuenta la tasa de recirculación. Una válvula de alimentación de líquido sobredimensionada puede dar lugar a una velocidad de líquido excesiva. Durante la puesta en servicio, debe prestarse atención al ajuste correcto de todas las válvulas de regulación. Una válvula de regulación completamente abierta puede causar también una velocidad excesiva (consulte la figura 4).
1.3 Aceleración repentina
La aceleración repentina de líquido suele suceder cuando el vapor a alta presión entra en contacto con líquido a baja o media presión. Cuando un líquido acelerado se enfrenta a una obstrucción (dando
lugar a un cambio de momento), los aumentos de presión son muy superiores a los causados por una deceleración de líquido. Es lo que se denomina “golpe de líquido impulsado por vapor” (VPLS,
por sus siglas en inglés). El fenómeno VPLS puede generarse de dos formas: estática y dinámica2.
Cuando el fenómeno es estático, existe líquido atrapado en un tramo de tubería, llenándolo por completo. Cuando el fenómeno es dinámico, se trata de un frente de líquido impulsado por vapor. En una tubería de 6", tan sólo 1 ½" de líquido puede originar un golpe dinámico (consulte la figura 5).
La aceleración repentina de líquido suele suceder cuando el vapor a alta presión entra en contacto con líquido a baja o media presión. Cuando un líquido acelerado se enfrenta a una obstrucción (dando
lugar a un cambio de momento), los aumentos de presión son muy superiores a los causados por una deceleración de líquido. Es lo que se denomina “golpe de líquido impulsado por vapor” (VPLS,
por sus siglas en inglés). El fenómeno VPLS puede generarse de dos formas: estática y dinámica2.
Cuando el fenómeno es estático, existe líquido atrapado en un tramo de tubería, llenándolo por completo. Cuando el fenómeno es dinámico, se trata de un frente de líquido impulsado por vapor. En una tubería de 6", tan sólo 1 ½" de líquido puede originar un golpe dinámico (consulte la figura 5).
2. Desescarche por gas caliente y VPLS
La principal causa del fenómeno VPLS es un sistema de desescarche por gas caliente mal diseñado o usado de forma incorrecta. Por ejemplo, si la presión de desescarche por gas caliente se controla por medio de una válvula multifunción instalada en la línea de retorno húmedo y el gas caliente, por tanto, se inyecta por la parte inferior del evaporador, existirá un alto riesgo de aceleración de líquido.
De igual modo, si se instala una válvula solenoide de una etapa en la línea de retorno húmedo, tendrá lugar una igualación repentina de la presión una vez terminado el desescarche. Esto puede originar también una aceleración de líquido. Dado que las velocidades son muy superiores a las del ejemplo en el que se ilustraba la deceleración de líquido, pueden acumularse presiones de hasta 250 bar (consulte la figura 6).
La principal causa del fenómeno VPLS es un sistema de desescarche por gas caliente mal diseñado o usado de forma incorrecta. Por ejemplo, si la presión de desescarche por gas caliente se controla por medio de una válvula multifunción instalada en la línea de retorno húmedo y el gas caliente, por tanto, se inyecta por la parte inferior del evaporador, existirá un alto riesgo de aceleración de líquido.
De igual modo, si se instala una válvula solenoide de una etapa en la línea de retorno húmedo, tendrá lugar una igualación repentina de la presión una vez terminado el desescarche. Esto puede originar también una aceleración de líquido. Dado que las velocidades son muy superiores a las del ejemplo en el que se ilustraba la deceleración de líquido, pueden acumularse presiones de hasta 250 bar (consulte la figura 6).
En un sistema de desescarche por gas caliente diseñado correctamente, el gas caliente se introduce en el evaporador durante el desescarche por la parte superior, eliminando de este modo el riesgo de aceleración de líquido al iniciarse el desescarche. La presión de desescarche se controla a través de una válvula de control de presión independiente, accionando una válvula solenoide de dos etapas diseñada a tal efecto con una mínima caída de presión (normalmente, alimentada por gas caliente) e instalada en la línea de retorno húmedo (consulte la figura 7). Este tipo de válvulas está hoy disponible en el mercado: un ejemplo es la válvula ICLX de Danfoss. Consulte la figura 7.
3. Diseño y disposición de las tuberías
El código ASME3 sobre tuberías de presión estipula que “debe tomarse en consideración la expansión del líquido refrigerante atrapado en o entre válvulas cerradas, previéndose un medio que permita impedir la acumulación de presiones excesivas”.
La figura 10 muestra ejemplos del efecto anterior (líquido atrapado entre dos válvulas de corte, entre una válvula de retención y una válvula solenoide e, incluso, entre una válvula de retención y un regulador dependiente de la presión de salida). En todos estos casos, deben tomarse medidas que impidan la acumulación de presiones excesivas (como, por ejemplo, la instalación de válvulas de alivio).
El código ASME3 sobre tuberías de presión estipula que “debe tomarse en consideración la expansión del líquido refrigerante atrapado en o entre válvulas cerradas, previéndose un medio que permita impedir la acumulación de presiones excesivas”.
La figura 10 muestra ejemplos del efecto anterior (líquido atrapado entre dos válvulas de corte, entre una válvula de retención y una válvula solenoide e, incluso, entre una válvula de retención y un regulador dependiente de la presión de salida). En todos estos casos, deben tomarse medidas que impidan la acumulación de presiones excesivas (como, por ejemplo, la instalación de válvulas de alivio).
4. Resumen
En conclusión, cabe destacar que al introducir controles automáticos en sistemas anteriormente controlados por medios manuales es fundamental elegir los componentes correctos para ello, integrarlos de forma segura en sistemas de refrigeración industrial correctamente diseñados y usarlos
de forma eficiente para obtener resultados óptimos.
En conclusión, cabe destacar que al introducir controles automáticos en sistemas anteriormente controlados por medios manuales es fundamental elegir los componentes correctos para ello, integrarlos de forma segura en sistemas de refrigeración industrial correctamente diseñados y usarlos
de forma eficiente para obtener resultados óptimos.
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