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FICHA DE IDENTIFICACIÓN DE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

Título: GOLPE DE ARIETE Autor: Aguilar Perez Marcelo Guido Fuentes Meusnier Linsay karen Mendoza Flores Carlos Leonel Moscoso Delgadillo Wilder Fecha: 26/04/2016

Código de estudiante: 201206681 201308523 201305119 201308952

Carrera: Ing. de Gas y petróleo Asignatura: Mecánica de fluidos Grupo: A Docente: Vera Roberto Carlos Periodo Académico: 01/2016

Subsede: Santa Cruz

Copyright © (2016) por (A.P.M.G, F.M.L.K, M.F.C.L, M.D.W). Todos los derechos reservados.

Título: Golpe de ariete Autor: A.P.M.G, F.M.L.K, M.F.C.L, M.D.W __________________________________________________________________________________________________________

Resumen

El golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o disminución de la velocidad del flujo. Estas fluctuaciones de presión pueden ser lo suficientemente severas como para romper la tubería de agua. Esto se origina en consecuencia a que el fluido es ligeramente elástico que se puede considerar como fluido no compresible en consecuencia a un cierre brusco de una válvula o un grifo instalado en el extremo de la tubería. Esto origina una sobrepresión que se desplaza a una velocidad que puede superar a la velocidad del sonido en el fluido. La cual esto considera dos efectos la de comprimir y dilatar el fluido. Los problemas potenciales pueden ser considerados al evaluarse el diseño de las tuberías y cuando se realiza un análisis detallado de las oscilaciones de presión, en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos en el sistema de distribución. Debe considerar Cualquier cambio mayor en el diseño del sistema principal o cambio en la operación Tales como aumento en la demanda de los niveles de flujo la cual deben incluir la consideración de los problemas potenciales de golpe de ariete y su significado tanto para el diseño como para la operación de los sistemas de agua causados por el golpe de ariete.

Palabras claves: Golpe de ariete, celeridad. Asignatura: Mecánica de fluidos Carrera: Ing. De gas y petróleo

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Título: Golpe de ariete Autor: A.P.M.G, F.M.L.K, M.F.C.L, M.D.W __________________________________________________________________________________________________________

Abstract Water hammer refers to the fluctuations caused by a sudden increase or decrease in flow velocity. These pressure fluctuations can be severe enough to break the water line. This originates accordingly the fluid is slightly elastic which can be considered as noncompressible fluid accordingly a sudden closing of a valve or a tap installed at the end of the pipe. This causes overpressure moving at a rate that can exceed the speed of sound in the fluid. Which it considers two effects to compress and expand the fluid. Potential problems can be considered to evaluate the design of piping and when a detailed analysis of the pressure oscillations in many cases to avoid costly bad performances in the distribution system analysis is performed. Any major change should be considered in the design of host or change in operation. Such as increased demand flux levels which should include consideration of the potential problems of water hammer and its significance for both the design and operation for water systems caused by water hammer.

Keywords: water hammer, quickly. Asignatura: Mecánica de fluidos Carrera: Ing. De gas y petróleo

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Título: Golpe de ariete Autor: A.P.M.G, F.M.L.K, M.F.C.L, M.D.W __________________________________________________________________________________________________________

TABLA DE CONTENIDOS 1

Capítulo I ............................................................................................................................. 6

1.1

Introducción .................................................................................................................. 6

1.2

Objetivos ....................................................................................................................... 7

1.2.1

General .................................................................................................................. 7

1.2.2

Específicos ............................................................................................................. 7

2

Capitulo II ............................................................................................................................ 8

2.1

Marco teórico conceptual .............................................................................................. 8

2.2

Causas por las que se produce el golpe de ariete .......................................................... 8

2.3

Porque recibe el nombre golpe de ariete ....................................................................... 9

2.4

Funcionamiento de la bomba de golpe de ariete ........................................................... 9

2.5

Calculo del golpe de ariete.......................................................................................... 10

2.5.1

Tiempo de cierre de la válvula ............................................................................ 10

2.5.2

Sobrepresión del golpe ........................................................................................ 10

2.5.3

Valor de celeridad ................................................................................................ 10

2.5.4

Calculo de la velocidad media ............................................................................. 12

2.5.5

Calculo de la longitud crítica ............................................................................... 12

2.5.6

El golpe de ariete aumenta directamente ............................................................. 12

2.6

El golpe de ariete aplicado a la ingeniería .................................................................. 12

2.6.1

Tanque de oscilación diferencial ......................................................................... 13

2.6.2

El ariete hidráulico .............................................................................................. 13

2.7

Dispositivos para controlar el golpe de ariete ............................................................. 13

2.8

Prevención o mitigación del golpe de ariete ............................................................... 14

2.9

Modelo de Construcción de una bomba de golpe de ariete ........................................ 15

2.10

Ejemplo practico ..................................................................................................... 17

2.11

Practica -Construcción de una bomba golpe de ariete ............................................ 18

2.11.1

Materiales y costos para la construcción de una bomba golpe de ariete ............. 18

2.11.2

Procedimiento ...................................................................................................... 18

3

Conclusión ......................................................................................................................... 20

4

Bibliografía ........................................................................................................................ 21

Asignatura: Mecánica de fluidos Carrera: Ing. De gas y petróleo

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Título: Golpe de ariete Autor: A.P.M.G, F.M.L.K, M.F.C.L, M.D.W __________________________________________________________________________________________________________

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 funcionamiento de la bomba de golpe de ariete ............................................................ 9 Figura 2 modelo de construcción de una bomba golpe de ariete .............................................. 15 Figura 3 modelo sencillo de armado de la bomba golpe de ariete con los materiales mencionados de la tabla 2.......................................................................................................... 18 Figura 4 Bomba golpe de ariete armado modelo sencillo ......................................................... 19

ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1 tiempo de cierre de valvula ..................................................................................... 10 Ecuación 2 cálculo de la sobrepresión del golpe ....................................................................... 10 Ecuación 3 valor de la velocidad de propagación ..................................................................... 11 Ecuación 4 cálculo de k ............................................................................................................. 11 Ecuación 5 velocidad media igual al caudal por longitud de área ............................................ 12 Ecuación 6 Longitud critica ...................................................................................................... 12

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1.1

Capítulo I

Introducción

El fenómeno del golpe de ariete, también denominado transitorio, consiste en la alternancia de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir, básicamente es una variación de presión, y se puede producir tanto en impulsiones como en abastecimientos por gravedad. El conocimiento de este fenómeno transitorio es vital para el diseño, técnica y económicamente adecuado de sistemas hidráulicos. Este es un problema clásico en mecánica de fluidos y donde N.E. Joukowski y L. Allievi dejaron establecidos los fundamentos básicos del análisis del mismo entre 1897 y 1903. A partir de esta fecha, ha habido diversos autores que han incurrido en numerosos estudios tanto en lo que concierne a procedimientos de cálculo como al diseño y elaboración de varios dispositivos de protección. A pesar de todos estos estudios, el tema está lejos de cerrarse. Este fenómeno genera presiones extremas en las redes de distribución, produciendo fallas en las redes o en los artefactos hidráulicos, e incluso puede ocasionar rupturas en las tuberías provocando severos problemas como un corte del flujo, perdidas mayores a las esperadas o la intrusión de agentes contaminantes en el sistema. Debido a esto la simulación del golpe de ariete se ha convertido en un requisito esencial para asegurar el correcto diseño y operación de los sistemas de distribución de agua. Debido a que las propiedades del flujo son tan cambiantes y difíciles de pronosticar, es muy complicado describir estos problemas ya que a diferencia de otras ramas de la ingeniería civil, como el análisis estructural, se realizan muy pocos estudios y análisis dinámicos que conduzcan al diseño y operación de sistemas de distribución de agua a presión. Esto ocurre debido a la dificultad de dichos problemas y al bajo costo de vidas humanas en caso de falla comparada con el análisis estructural. Dependiendo de la importancia de una red, la rotura de matrices o impulsiones debido a un golpe de ariete puede incrementar tanto los costos económicos como los sociales, convirtiendo el problema en un asunto estratégico. Es por esto que cualquier fenómeno de flujo nopermanente debiera requerir siempre de un análisis numérico detallado. Asignatura: Mecánica de fluidos Carrera: Ing. De gas y petróleo

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1.2

Objetivos

1.2.1 General 

Conocer y analizar el fenómeno del golpe de ariete para su realización experimental.

1.2.2 Específicos 

Demostrar matemáticamente el rendimiento de la bomba de golpe de ariete



Demostración experimental de la bomba de golpe de ariete.

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Capitulo II

2.1

Marco teórico conceptual

El Golpe de Ariete es un fenómeno transitorio que se presenta en las condiciones a presión, en el que la tubería no se considera rígida y el líquido se trata como compresible; es frecuente en líneas de conducción por gravedad para el abastecimiento de agua a poblaciones, en las obras de toma de algunas presas y en los conductos de alimentación y desfogue en plantas hidroeléctricas ocurran perturbaciones en el flujo permanente inicial debido a los procesos de regulación del gasto, cuando el movimiento del líquido que circula a través de ellas, es modificado bruscamente, dando inicio al golpe de ariete.

2.2

Causas por las que se produce el golpe de ariete

Ocasionado por causas imprevistas como son: 

Cierres bruscos de válvulas ante las turbinas, causados por averías en los mecanismos de amortiguamiento; el no funcionas las válvulas en caso de una descarga brusca del grupo; el golpe de una roca contra la tubería, originando una onda que se transmite a lo largo del conducto y puede producir una rotura en algún sitio alejado del punto de impacto; fallas en el suministro de energía que requiere una bomba para su adecuado funcionamiento, que obligan al cierre súbito de la válvula de retención, para evitar el paso del agua hacia la bomba.



Cualquier variación de caudal en un sistema hidráulico que obliga al cierre parcial o total de una válvula o de cualquier dispositivo de regulación, provoca perturbaciones de flujo, desencadenando el fenómeno.



La variación en el movimiento del líquido se manifiesta básicamente con modificaciones en las condiciones de presión y velocidad del flujo, repercutiendo en los diferentes elementos que están en contacto con el fluido; generando esfuerzos superiores a los normales (en el flujo permanente). Inicialmente el fluido posee una energía cinética Ec = ½ m v² . Al disminuir la velocidad se reduce la ecuación, transformándose en energías vibratorias, ondulatorias y en calor. Las dilataciones y contracciones cíclicas de la conducción originan esfuerzos de fatiga en el material del cual está fabricada y provocan los destrozos ya mencionados.

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2.3

Porque recibe el nombre golpe de ariete

La palabra Ariete, designa una máquina militar, utilizado para derribar puertas, por medio de golpes reiterados. Por analogía se denomina GOLPE de ARIETE, el fenómeno que se presenta en las redes de acueductos, en particular si se cierra rápidamente una válvula, produciendo un ruido característico como un "latigazo" que resuena, hasta apagarse del todo. Así pues, recordando el teorema de Bernoulli una vena líquida repentinamente detenida, transformará toda su energía cinética en energía de presión (altura piezométricas, presión cinética h´). Esta sobre-presión h´ busca "desesperadamente" un desahogo, es capaz de romper las tuberías, arrancarlas de su sitio, deteriorar accesorios, etc. y llega a producir fenómenos insospechados como si se tratara de una verdadera explosión de red. El golpe de ariete también se da en caso de cierre gradual de una válvula aunque en menor intensidad. También hay un golpe de ariete "al revés" (gran depresión cuando repentinamente se abre una válvula.

2.4

Funcionamiento de la bomba de golpe de ariete

Figura 1 funcionamiento de la bomba de golpe de ariete

El agua se acelera a lo largo del tubo de alimentación hasta alcanzar una velocidad suficiente como para que se cierre la válvula

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(A), Figura1. Entonces se crea una fuerte presión, al detenerse el agua bruscamente. Este golpe de presión abre la válvula (B) y hace pasar un pequeño chorro de agua al depósito (C), hasta que se equilibran las presiones. En ese momento, la gravedad abre la válvula (A) y se cierra la (B), repitiéndose de nuevo el ciclo. El agua, a cada golpe de aire hace fluir el agua, con continuidad, por la manguera de elevación. El ritmo de golpes por segundo suele ser de uno o dos. 2.5

Calculo del golpe de ariete

Existen muchas variables que se pueden determinar con este proyecto como es el tiempo de cierre de la válvula que es el intervalo entre del inicio y el fin de cada golpe generado. La sobrepresión producida por el golpe del ariete, el valor de celeridad. Se mencionará brevemente cada uno de ellos, pero sólo nos limitaremos a realizar pruebas y determinar qué tan eficiente es nuestra bomba debido a que para realizar los cálculos antes mencionados se requiere de coeficientes determinados para cada caso. 2.5.1 Tiempo de cierre de la válvula Este tiempo es calculado con la fórmula: Ecuación 1 tiempo de cierre de valvula 𝑇=𝐶+

𝑘𝐿𝑣 𝑔 𝐻𝑚

Dónde: L es la longitud de conducción (m), v es la velocidad del régimen del agua (m/s), g es aceleración gravitacional (m/𝑠 2 ), 𝐻𝑚 es la altura manométrica que se proporciona por el grupo de bombeo, y C y K son coeficientes de corrección. 2.5.2 Sobrepresión del golpe Se calcula con la fórmula Ecuación 2 cálculo de la sobrepresión del golpe ∆𝐻 =

2𝐿𝑣 𝑔𝑇

Dónde ∆𝐻 es la sobrepresión producida por el golpe (mca), L es la longitud de la tubería (m). 2.5.3 Valor de celeridad La celeridad es el valor de la velocidad de propagación de la onda del fluido cuando se produce el golpe de ariete. Se obtiene a partir de la siguiente fórmula Asignatura: Mecánica de fluidos Carrera: Ing. De gas y petróleo

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Ecuación 3 valor de la velocidad de propagación 𝑎=

9900 √48.3 + (𝐾 𝐷) 𝑒

Siendo: a es el valor de celeridad (m/s), K es un coeficiente de módulo de elasticidad del material de la tubería y "e” es el espesor de la tubería. 1010 𝐾= 𝜀 Ecuación 4 cálculo de k e: Espesor de la tubería (kg/m2)

D: Diámetro interior de la tubería (m)

Valores de K para hallar la celeridad

Material de la tubería

e (kg/m2)

K

Palastros de hierro y acero 2×1010

0.5

Fundición

1010

1

Hormigón (sin armar)

2×109

5

Fibrocemento

1.85×109

5.5 (5-6)

PVC

3×108

33.3 (20-50)

PE baja densidad

2×107

500

PE alta densidad

9×107

111.11

Tabla 1 Valores de K y e.

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2.5.4 Calculo de la velocidad media Ecuación 5 velocidad media igual al caudal por longitud de área v=

Q A

Donde: v= velocidad / (m/s) Q= caudal (m3/s) A= área de la sección (m2) 2.5.5 Calculo de la longitud crítica Ecuación 6 Longitud critica Lc =

T×c 2

Donde: Lc= longitud critica (m) T= tiempo (s) c=a= celeridad de la onda (m/s))

2.5.6 El golpe de ariete aumenta directamente Con:

2.6



La longitud de la tubería



La velocidad del flujo



La rapidez de cierre

El golpe de ariete aplicado a la ingeniería

Bajo el punto de vista de la ingeniería el “golpe de ariete” puede ser estudiado como un fenómeno perjudicial o benéfico dentro de las condiciones hidráulicas, dependiendo de las circunstancias, de la magnitud de sus efectos y del tipo del medio donde se presente. El hombre afronta dicho fenómeno de acuerdo a las necesidades y a sus manifestaciones de la siguiente manera:

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2.6.1 Tanque de oscilación diferencial Es la separación de aceleración o desaceleración de conducción, resultando una acción hidráulica más rápida, reflejando una disminución más considerable y económica en el diámetro del tanque. 2.6.2 El ariete hidráulico El ariete hidráulico es una máquina que provoca continuos cierres bruscos de un circuito con agua en aceleración y que aprovecha las sobrepresiones para mandar parte del caudal a una gran altura. 2.7

Dispositivos para controlar el golpe de ariete

Para evitar este efecto, existen diversos sistemas: 

El golpe de ariete se produce cuando el fluido está en movimiento, por lo que será más violento cuanto mayor sea la velocidad del fluido en la conducción; de ahí que siempre es conveniente que éstas sean de diámetro adecuado para que las velocidades sean pequeñas.



Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre.



Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales (estos dispositivos son para disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de algún otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del fenómeno del golpe de ariete). o

extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire;

o

extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa.

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Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.

2.8

Prevención o mitigación del golpe de ariete

Se tiene como primera medida de precaución, instalar válvulas apropiadas en las líneas de conducción y controlar su tiempo de cierre. En algunos casos se construyen válvulas interruptoras especiales, provistas de un resorte que opera contra la presión del agua, de manera que inmediatamente la velocidad empieza a disminuir como resultado de la detención de la bomba, la válvula comienza a cerrarse, lográndose el cierre completo antes del regreso de la columna líquida. 

Cerrar lentamente la válvula de impulsión.



Escoger el diámetro de la tubería de impulsión grande para que la velocidad sea pequeña.



Instalar la bomba con un volante, que en el caso de corte de la corriente reduzca lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad del agua en la tubería.



Usar una cámara o colchón de aire. Esto ha dado resultados satisfactorios, pero su costo inicial y la dificultad de mantener el nivel deseado del agua, le hacen perder importancia.



Utilizar almedanas, Su uso se restringe a instalaciones de pequeña cabeza y no son generalmente económicas.



Aumentar el momento de inercia de los elementos que rotan en la bomba y el motor es útil, debido a que aumenta el intervalo de tiempo disponible para el ajuste de la válvula.



Utilizar un "by-pass" a través de la válvula de seguridad.

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2.9

Modelo de Construcción de una bomba de golpe de ariete

Figura 2 modelo de construcción de una bomba golpe de ariete

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1- Tubo de alimentación rígido de más de 2 metros de largo y de 1” de diámetro. Tiene que estar roscado en los extremos y en uno de ellos hay que instalar la unión cónica macho para acoplar el ariete. El tubo de alimentación no está en el dibujo. 2- Unión cónica hembra de 1“ (Fe-Galva). 3- Curva de 1” a 45º , roscas Macho, (Fe-Galva). 4- Llave de corte mariposa de 1”, Macho-Hembra. 5- T de 1” Hembra a 90º , (Fe-Galva). 6- Pletina de hierro negro de 60 x 200 x 6 mm. soldada a la T, para hacer de base al ariete. 7- Curva de 1” Macho a 90º (Fe-Galva). 8- Válvula de retención York de 1” marca “EUROPA” o “MANA”. Es imprescindible que el émbolo sea metálico. 9- Tuercas de M-8 cincadas. 10- Rosca doble de 1” Macho (Fe-Galva). 11- Cruceta o Crossin de 1” a 90º, Hembra (Fe-Galva). 12- Varilla calibrada de latón, de 8 mm. de diámetro, roscada en ambos extremos y de 300 mm. de longitud. 13- Reducción de 1” Macho - 1/2” Hembra (Latón). 14- Racord tipo ovalillo de 1/2” Macho - 12 mm. Hembra. (Latón) 15- Tubo de cobre rígido de 12 mm. de diámetro, de 1 mm. de pared y de 150 mm. de largo. 16- Arandelas anchas cincada de M-8 . 17- Contrapeso ajustable. (varias tuercas o arandelas grandes). 18- Tuercas cincadas de M-8 para inmovilizar el contrapeso. 19- Enlace mixto de 1” Macho tubo de polietileno B/D de 1/2”. 20- Tubo de polietileno B/D de 1/2”. 21- Reducción 3” Hembra 1” Hembra (Fe-Galva). 22- Tubo de 3”, de 400 mm. de longitud, roscado en ambos extremos (Fe-Galva). 23- Pelotas de tenis. 24- Tapón de 3” Hembra (Fe-Galva).

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2.10 Ejemplo practico Calcule el golpe de ariete en una conducción de hormigón armado, de 350m de longitud, 2,5m de diámetro, 0,3m de espesor, con caudal de 38m3/s y tiempo de 4s. Solución:  Celeridad de la onda 𝑎=



9900 √48,3 + (𝐾 𝐷) 𝑒

2,5 √48,3 + (5 × ) 0,3

= 1043,74 𝑚/𝑠

T × c 4 × 1043,74 = = 2087,48𝑚 > 400𝑚 = 𝐿 2 2

Velocidad media

v=



9900

Longitud critica

Lc =



=

Q 38 = = 7,74 𝑚/𝑠 A 𝜋 × 1,252

Golpe de ariete

∆𝐻 =

2 𝐿 𝑣 2 × 350 × 7.74 = = 138.21 𝑚 𝑔𝑇 9,8 × 4

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2.11 Practica -Construcción de una bomba golpe de ariete Realizaremos el armado de la bomba de golpe de ariete con un modelo sencillo y económico. 2.11.1 Materiales y costos para la construcción de una bomba golpe de ariete Tabla 2 costos de los materiales para la construcción de una bomba golpe de ariete modelo sencillo Cantidad Descripción material

Costo Total Bs

1

Reducción 1x ¾”

8

6

Niple 1x1”

36

2

T pvc 1”

20

1

Reducción 1x1/2”

4

2

Niple pvc 1/2

5

1

Válvula pvc llave ½”

12

1

Válvula check de paso 1”

85

1

Válvula pvc llave 1”

35

1

Codo pvc 1”

6

1

válvula check de fondo donde ocurre el golpe de ariete 1”

95

2

Cinta teflón

24

Total

330 Bs

2.11.2 Procedimiento

Figura 3 modelo sencillo de armado de la bomba golpe de ariete con los materiales mencionados de la tabla 2 Asignatura: Mecánica de fluidos Carrera: Ing. De gas y petróleo

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Figura 4 Bomba golpe de ariete armado modelo sencillo

Mediante esta práctica demostramos un modelo de armado de la bomba de golpe de ariete, donde pudimos observar el fenómeno de golpe de ariete al hacer succión de un tanque a otro conforme va acumulando fluido en el acumulador y llevando a otro almacén o tanque, y las ventajas que ofrece pese a su costo, como la facilidad de armado y el uso benéfico.

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Conclusión

Tenemos que él golpe de ariete continuará siendo un desafío de ingeniería frente a operadores y directores de sistemas de agua porque está asociado con sistemas que no pueden ser definidos exactamente debido al tamaño y largo del sistema de distribución de agua con un perfil ondulante o por la falta de definición de los componentes del sistema tales como las válvulas o las bombas.

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Bibliografía

Fecha de búsqueda: 22/04/2016 http://lan.inea.org:8010/web/materiales/web/riego/temas/tema6/tema6.htm https://www.uclm.es/area/ing_rural/Trans_hidr/Tema10.PDF Fecha de búsqueda: 23/04/2016 http://www.tiendaelektron.com/pdf/ARIETE.pdf http://www.nesc.wvu.edu/pdf/dw/publications/ontap/2009_tb/spanish/water_hammer_D WFSOM141.pdf

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