TANQUE ARAA ó A.R.A.A.

ANTI ARIETE

Articulo Técnico:

Protección anti ariete mediante tanques ARAA o A.R.A.A.

Artículo publicado en la revista de AIDIS Argentina, número 132, pagina 45 (Diciembre 2017).

Versión online: https://issuu.com/aidisargentina

Temario: transitorios hidráulicos, métodos de cálculo, separación de la columna de agua y colapso de la cavidad de vapor. Objetivo del estudio del transitorio hidráulico, presiones máximas y mínimas admisibles, dispositivos de protección anti ariete, el tanque anti ariete híbrido o A.R.A.A.

 

El estudio del transitorio hidráulico o golpe de ariete es esencial para el diseño y operación de sistemas de tuberías presurizadas. Para la mayoría de estos sistemas, las máximas y mínimas presiones ocurrirán durante los transitorios. Si estas presiones no son apropiadamente estudiadas y moderadas mediante dispositivos de protección, inevitablemente se producirán daños materiales, interrupción de servicio e incluso problemas de contaminación.  En sistemas de agua potable las presiones transitorias elevadas pueden desprender la bio película de las paredes internas de la tubería y afectar la calidad del agua. Además, las presiones negativas pueden introducir contaminantes a la tubería a través de uniones defectuosas y válvulas de aire.

 

Transitorios Hidráulicos

Los transitorios hidráulicos ocurren en todos los sistemas de transporte de fluidos presurizados. Todo cambio de velocidad del fluido se traduce en un cambio de presión; cuanto mayor sea la variación de la velocidad, mayor será el incremento de presión. Estos cambios de velocidad pueden ser producidos por apertura o cierre de válvulas, arranque o parada de bombas, modificaciones en la demanda, etc. En general, el escenario más desfavorable para impulsiones es la parada abrupta de bombas por corte de energía; y en aquellos sistemas que operan por acción de la gravedad, el cierre de válvulas.

 

Si bien el estudio de las variables hidráulicas de un sistema en régimen permanente es relativamente sencillo, el estudio del transitorio hidráulico no lo es. Existen distintos métodos de análisis para estudiar las variaciones de presión y caudal durante los transitorios, los dos más utilizados son: el WCM (Wave Characteristic Method) o Método de la Onda Característica y el MOC (Method of Characteristics) o Método de las Características. El primero es un enfoque Lagrangiano que registra perturbaciones o cambios en base a la mecánica de la propagación de la onda de presión. El segundo es un enfoque Euleriano que registra perturbaciones o cambios en puntos definidos del sistema utilizando un método numérico. Ambos métodos han sido rigurosamente documentados a lo largo de las últimas décadas y los dos son capaces de calcular de forma precisa las variaciones de presión y caudal durante los transitorios hidráulicos. Los resultados obtenidos mediante cualquiera de los dos métodos son similares. En relación al tiempo computacional el WCM requiere menos pasos, menor cantidad de cálculos, por lo que el tiempo de ejecución será menor que el requerido por el MOC. Este aspecto hace que el WCM sea más adecuado para el estudio de redes con gran cantidad de tuberías o nodos.

Separación de la columna de agua – Colapso de la cavidad de vapor

Dependiendo de las características del sistema, durante los transitorios las presiones pueden alcanzar valores muy elevados así como también valores muy bajos (negativos). Cuando la presión cae por debajo del valor atmosférico y alcanza la presión de vapor, el líquido se transforma en vapor y se produce la separación de la columna de agua. Luego, cuando la presión se vuelve a elevar la cavidad de vapor colapsa generando un severo y rápido pico de presión. El análisis de este fenómeno resulta más complejo pues el sistema ya no tiene una sola fase sino dos: líquido y vapor.

Las sobre presiones como consecuencia del colapso de la cavidad de vapor son muy elevadas. Resulta entonces indispensable incluir el análisis de la separación de la columna de agua y colapso de la cavidad de vapor cuando estudiamos un transitorio hidráulico. De los diferentes métodos de cálculo de este fenómeno el más utilizado es el DVCM (Discrete Vapor Cavity Model) o Modelo Discreto de Cavidad de Vapor. Es un modelo simple y bastante preciso generalmente incluido dentro de las rutinas de cálculo de los programas comerciales más utilizados. No es posible obtener resultados confiables si no se consideran los efectos de la separación de columna de agua y colapso de cavidad de vapor en el estudio del transitorio hidráulico.

En el siguiente ejemplo analizaremos las presiones durante el transitorio, inicialmente sin incluir el cálculo del colapso de la cavidad de vapor y luego incluyéndolo para comparar los resultados.

El sistema del ejemplo está compuesto por 5 tramos de tuberías de acero de 1000 m de longitud y 1 m de diámetro c/u, celeridad 1,000 m/s, Hazen- Williams 100, y una demanda en el nodo 5 de 1 m3/s. Todos los nodos tienen cota cero salvo el nodo 3 que tiene cota 100 m,  el nivel del agua en el reservorio es 200 m. El transitorio hidráulico es generado por un cambio brusco en la demanda, que se reduce de 1 m3/s a cero en 1 segundo.

La figura 2 muestra la presión en el tiempo en el nodo 5 como consecuencia del cambio brusco en la demanda sin considerar en el análisis las presiones resultantes por efecto del colapso de la cavidad de vapor.

La figura 3 muestra el mismo análisis pero esta vez considerando el efecto del colapso de la cavidad de vapor. Se observan picos adicionales de presión (consecuencia del colapso de la cavidad de vapor en el nodo 3 que se traslada al nodo 5) resultando en mayores presiones positivas y menores presiones negativas.

El ejemplo confirma la importancia de considerar el cálculo del colapso de la cavidad de vapor en el análisis. No hacerlo significaría alejarnos de la realidad y de la seguridad. Los programas computacionales más reconocidos de modelación hidráulica en régimen impermanente incluyen en su análisis el colapso de cavidad de vapor. Utilizan el modelo DVCM, u otro similar, independientemente si el cálculo hidráulico del transitorio se realiza mediante el MOC o el WCM.

 

Objetivo del estudio del transitorio hidráulico

El objetivo del estudio del transitorio hidráulico es conocer los valores de presión máximos y mínimos ocurridos para un escenario dado (i.e. parada de bombas por corte de energía, cierre parcial o total de válvulas, variaciones repentinas de consumo o demanda, etc.) y evaluar si es necesario  modificar el sistema o incorporar dispositivos de protección anti ariete para mitigarlas. Como mencionamos antes, las oscilaciones de presión durante un transitorio pueden fácilmente exceder los máximos y mínimos admisibles para las tuberías, sus uniones, y demás componentes del sistema.

 

Diferentes normas internacionales hacen referencia a las máximas presiones admisibles durante el transitorio para distintos tipos de tuberías. Un ejemplo es el manual de diseño M45 para tuberías de PRFV de la American Water Works Association, que aplica un factor de 1.4 a la presión máxima admisible en régimen permanente para obtener la misma en impermanente. En cuanto a las presiones negativas, es más difícil encontrar normas o referencias. En general la unión de la tubería es el elemento más sensible del sistema a estas presiones. Cuando la unión se materializa mediante aro de goma, éste puede desplazarse por acción de la presión negativa. Si esto ocurre, la  tubería pierde estanqueidad y habrá fuga de agua cuando la presión sea positiva, e ingresarán contaminantes del exterior cuando la presión sea negativa.

 

Retomando el objetivo del estudio del transitorio hidráulico, decíamos que podemos reducir la magnitud de las presiones transitorias modificando aspectos de diseño del sistema si éste se encuentra en etapa de proyecto, o introduciendo dispositivos de protección anti ariete. En cuanto a los aspectos de diseño, se podría modificar la celeridad de la onda mediante un cambio de material de tubería, o la velocidad del fluido modificando el diámetro, o un perfil alternativo con mayor tolerancia a las presiones negativas (una traza alternativa), etc.  

 

Dispositivos de protección anti ariete

Los dispositivos de protección anti ariete tienen diferentes características, algunos de ellos permiten convertir energía cinética en potencial, otros incorporar o retirar fluido en puntos críticos, y otros incorporar y/o eliminar aire del sistema. Los más utilizados son: chimenea de equilibrio, tanque unidireccional, tanque hidroneumático tradicional (con compresor) y con membrana (sin compresor), tanque híbrido o A.R.A.A., volante de inercia, by-pass, válvula anticipadora de ondas, válvula de alivio, válvula de aire tradicional y anti golpe, etc. La elección de uno de estos dispositivos o sus combinaciones dependerá de las características del sistema y del fluido.  En esta oportunidad vamos a enfocarnos solo en uno de estos dispositivos: el tanque hidroneumático híbrido o A.R.A.A.

 

Características del tanque anti ariete híbrido o A.R.A.A.

El término A.R.A.A. proviene del francés: Antibélier à Régulation d'Air Automatique, y se traduce como tanque anti ariete de regulación automática de aire. También se lo conoce como tanque híbrido o tanque con tubo de inmersión (dipping tube surge vessel). Este diseño fue originalmente patentado en Europa y tiene varias décadas de probado funcionamiento.

El A.R.A.A. es un tanque hidroneumático vertical conectado a la tubería por su parte inferior. En su parte superior tiene una válvula accionada por flotador y en su interior un tubo de inmersión. Tiene tres modos de operación:

1-Como tanque hidroneumático tradicional: válvula flotador cerrada, líquido y aire comprimido dentro del tanque.

2-Como chimenea de equilibrio: válvula flotador abierta, líquido y aire atmosférico en el tanque.

3-Como válvula de aire: válvula flotador abierta, solo aire atmosférico dentro del tanque.

Cuando el sistema se encuentra operando en régimen permanente, el volumen de aire comprimido (Vo) dentro del tanque es el resultante de la compresión del volumen de aire que rodea el tubo de inmersión (VC) por acción de la presión de bombeo. VC es definido por la longitud del tubo de inmersión (LT).

Al estar aire y líquido en contacto y por efecto de la disolución, el volumen Vo se reduce con el paso del tiempo (durante la operación en régimen permanente). Por este motivo el tanque A.R.A.A. solo puede ser utilizado en sistemas que se detengan al menos una vez al día,  de esta manera todo el volumen Vo es renovado y la disolución deja de ser un problema ya que es un fenómeno de acción lenta.

Para lograr la renovación de Vo, además de la detención de bombas, es necesario que se abra el flotador, es decir, que el nivel del líquido descienda por debajo del tubo de inmersión. Para que esto ocurra la presión deberá descender a valor atmosférico o inferior luego de la parada de bombas, escenario característico de los perfiles relativamente planos y de moderada altura geométrica. Por estos motivos es que el ARAA es utilizado con frecuencia en impulsiones cloacales o de agua residual.

Resumen de las características del tanque A.R.A.A.:

- Volumen de aire comprimido (Vo) obtenido por acción de la presión de línea, sin necesidad de  compresores externos.

- Volumen de aire alrededor del tubo de inmersión  (VC) definido por la longitud del mismo (LT).

- Pérdida de volumen de aire comprimido (Vo) por disolución, necesidad de arranque y parada diaria para evitarlo.

- Caída de presión a valor atmosférico o inferior para permitir la apertura del flotador, característico de perfiles relativamente planos y de moderada altura geométrica.

Modelación del Transitorio Hidráulico

Como mencionamos más arriba, existen diferentes métodos para estudiar las variaciones de presión y caudal en el tiempo durante un transitorio hidráulico. Para estudiar o modelar un escenario dado, por ejemplo parada abrupta de bombas por corte de energía, es necesario generar un detallado modelo matemático del sistema que incluya las características físicas de la tubería, su plani-altimetría, curvas características de las bombas, inercia de las mismas, niveles estáticos y dinámicos de operación, etc. También es necesario incluir las características particulares de los dispositivos de protección anti ariete propuestos, para su evaluación y dimensionado.

Previo a estudiar el transitorio analizamos la operación en régimen permanente ya que este será el punto de partida del análisis.

A continuación, como ejemplo, estudiamos una impulsión de agua residual de tubería de polietileno DN 225 mm y 1020 m  de longitud. Luego de cargar el perfil plani-altimétrico de la tubería y demás características del sistema en el programa de modelación, analizamos en régimen permanente y obtenemos para el caudal de diseño de 280 m3/h una altura de bombeo de 24 m.c.a.

Con estos valores iniciales definidos, iniciamos el estudio del transitorio cuyo escenario será –en este caso-  una parada abrupta de bombas por corte de energía. El tiempo o ventana de análisis debe ser lo suficientemente amplio como para permitir observar las presiones decrecientes por acción de la fricción, en transición hacia el estado estático. La desaceleración de las bombas dependerá de su inercia.

En el diagrama siguiente -envolventes de cotas piezométricas- vemos en rojo la línea del gradiente hidráulico, en azul las cotas de la tubería, en gris las cotas envolventes máximas y mínimas ocurridas durante el transitorio y en magenta la referencia -10 m.c.a.

Se observa que las sobre presiones positivas no son importantes, pero que las negativas si los son: -10 m.c.a. Si bien existen normas internacionales que en función del material de la tubería definen un factor multiplicador de la “clase” para las sobre presiones, no es fácil encontrar normas para las presiones negativas, que afectan primero a las uniones y luego a la tubería en mayor o menor medida dependiendo del material de la misma.

 

Previamente a la evaluación del tanque hidroneumático híbrido o A.R.A.A. como alternativa de protección, es necesario modelar un tanque hidroneumático tradicional para encontrar el volumen inicial de gas (Vo) que permita reducir las presiones transitorias positivas y negativas a valores admisibles. Esto se realiza a prueba y error mediante modelaciones sucesivas.

El máximo valor de Vo en la ventana de tiempo analizada definirá el volumen total del tanque (ver gráfico inferior: evolución del volumen de gas). Con un volumen inicial de gas (Vo) de 0.85 m3 logramos eliminar las presiones negativas. Su valor máximo en el tiempo es 2 m3, entonces el volumen total del tanque deberá ser igual o mayor a 2 m3.

 

Evolución del volumen de gas (aire comprimido)

Modelación del Transitorio Hidráulico con tanque A.R.A.A.

A continuación reemplazamos en el modelo el tanque hidroneumático tradicional por el A.R.A.A. utilizando los valores previos de referencia. Vemos que si bien el diagrama de envolventes es similar, los de evolución de gas y HGL-Tiempo no lo son (más abajo).

Cuando utilizamos tanques hidroneumáticos tradicionales, el volumen inicial de gas (Vo) para un volumen total (VT) de tanque dado, no está limitado, accionando los compresores obtenemos el Vo que necesitamos.

En cambio para un tanque híbrido o A.R.A.A. de VT dado,  existe un Vo máximo, pues Vo depende de la longitud del tubo de inmersión LT y de la altura de bombeo, que por lo general es baja en impulsiones cloacales cortas de perfil  relativamente plano y con poco desnivel.

En este caso para un A.R.A.A. de volumen total (VT) 2 m3, el máximo volumen inicial de gas (Vo) es 0.7 m3; y su expansión máxima será inferior a 1.8 m3.

En la curva HGL-Tiempo del A.R.A.A., a diferencia del tanque tradicional, observamos un tramo horizontal recto que nos indica la presencia de presión atmosférica y nos muestra que el flotador se encuentra abierto, condición indispensable para la operación de tanques híbridos o A.R.A.A.

 

Si bien para un volumen total de tanque A.R.A.A. (VT) de 2 m3 el máximo volumen inicial de gas (Vo) no puede superar los 0.7 m3 –utilizando la máxima longitud del tubo de inmersión (LT)-, observamos en el diagrama de envolventes que resulta suficiente para proteger el sistema, de modo que concluimos que es seguro utilizar el A.R.A.A. en esta impulsión.

Secuencia de operación del tanque anti ariete hibrido o A.R.A.A.:

Artículo publicado en la revista de AIDIS Argentina, número 132, pagina 45 (Diciembre 2017).

Versión online: https://issuu.com/aidisargentina

Luis A. Conti - Ingeniero Civil, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires.

El Ing. Conti se desempeña actualmente como consultor en proyectos de agua y saneamiento, irrigación y minería. Cuenta con más de una década de experiencia en control de fluidos para el diseño de acueductos y modelación de transitorios hidráulicos para el estudio de protecciones anti ariete.  Participó en importantes proyectos públicos y privados en Argentina y en distintos países de la región. Más información en www.ingenieriadefluidos.com y luis.conti@ingenieriadefluidos.com

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