Dimensionamiento de instalaciones hidráulicas con foco en prevención de golpe de ariete.

Abstract

Con 5,9 millones de toneladas de cobre producidas en 2022, Chile se posiciona como el mayor productor de este mineral a nivel mundial. Para su producción, las empresas mineras invierten constantemente en equipos y maquinaria, pero en ocasiones no aplican un análisis de selección íntegro y adquieren equipos innecesarios, lo que se denomina sobredimensionamiento, y se traduce en pérdidas monetarias. De esta manera, en una minera ubicada en la región de O’Higgins, se presenta un caso de estudio correspondiente a un sistema de protección ante un golpe de ariete. El sistema de protección es parte de un sistema de impulsión de agua, fue dimensionado por una empresa externa, y está constituido por 3 estanques amortiguadores o hidroneumáticos de 5 𝑚3, cuyo valor total de fabricación e instalación fue de 352.671 USD el año 2014. A raíz de la necesidad de instalar nuevos sistemas de protección en proyectos futuros de la minera, el presente proyecto de título busca entregar una guía para dimensionar los dispositivos de protección de golpe de ariete, y posteriormente, mostrar cómo corroborar la necesidad de estos equipos en un sistema hidráulico. Un golpe de ariete genera ondas de presión de una magnitud tal, que pueden generar el colapso de las cañerías. Debido a esto, el fenómeno será estudiado mediante la teoría elástica, siendo parte de esta el Método de las Características, el cual resuelve las ecuaciones constitutivas de un golpe de ariete basadas en el balance diferencial de masa y fuerza. Este método es el fundamento de cálculo del software de dominio libre Allievi, y permite evaluar sistemas hidráulicos con estanques amortiguadores mediante modelaciones, a partir del dimensionamiento previo del circuito hidráulico (trabajo realizado en el proyecto de ingeniería mecánica) y del estanque amortiguador. El desarrollo de este trabajo se divide en dos partes principales. En la primera, se entrega una guía de orientación para seleccionar y dimensionar un estanque amortiguador. La guía incluye un diagrama de flujo con el procedimiento de selección, al igual que un programa EES que calcula el volumen total de un estanque amortiguador. La segunda parte consiste en caracterizar el sistema hidráulico del caso de estudio, redimensionar el sistema de protección aplicando la guía de selección, y finalmente, modelar el sistema en el software Allievi. El redimensionamiento realizado, indica que se requiere estanques amortiguadores que logren satisfacer un volumen total de 14,02 𝑚3, lo que concuerda con el dimensionamiento de la empresa externa. Para la modelación, hay 4 situaciones principales que generan un golpe de ariete, y son el encendido – apagado de bombas y apertura – cierre de válvulas, las cuales se modelaron para el sistema hidráulico sin sistema de protección, con el sistema de protección actual, con 2 estanques amortiguadores de 5 𝑚3, y finalmente, con un sistema de protección compuesto por solo un estanque amortiguador de 5 𝑚3. Los resultados de las modelaciones indican que el sistema con 2 estanques amortiguadores de 5 𝑚3 resiste adecuadamente las ondas de presión para todos los casos que generan un golpe de ariete. Se concluye que, para evitar un sobredimensionamiento, es necesario modelar el sistema hidráulico y así validar el sistema de protección seleccionado, evitando de esta forma gastos innecesarios en la industria minera.

With 5,9 million tons of copper produced in 2022, Chile stands as the largest producer of this mineral worldwide. For its production, mining companies consistently invest in equipment and machinery. However, at times, they neglect a comprehensive selection analysis and acquire unnecessary equipment, what it calls over – sizing, and it means financial losses. Thus, a case study arises in a mining company located in the O’Higgins region, and its about a water hammer protection system. The protection system is part of a water pumping system, sized by an external company, and consists of three hydropneumatics tanks of 5 𝑚3, with a total manufacturing and installation cost of 352.671 USD in 2014. Due to the need of installing new protection systems in the mining company’s future projects, this thesis project aims to provide a guide for sizing water hammer protection devices and subsequently demonstrate how to verify the necessity of these devices in a hydraulic system. Water hammer generates pressure waves of such magnitude that can lead to pipe collapse. Therefore, the phenomenon is studied through elastic theory, including the Method of Characteristics, which solves the constitutive equations of water hammer bases on the differential mass and force balance. This method forms the basis for the calculation in the open – source domain software Allievi, enabling the evaluation of hydraulic systems with hydropneumatics tanks through modelling, building upon the preliminary sizing of the hydraulic circuit (done in the mechanical engineering project) and the hydropneumatic tank. The development of this project is divided into two main parts. In the first part, a guided manual is provided for selecting and sizing a hydropneumatic tank. The guide includes a flowchart with the selection procedure, as well as an Engineering Equation Solver (EES) program that calculates the total volume of a hydropneumatic tank. The second part involves characterizing the hydraulic system of the case study, resizing the protection system using the guide, and finally, modelling the system in Allievi. The resizing indicates the need of a hydropneumatic tank to satisfy a total volume of 14,02 𝑚3, aligning with the sizing by the external company. For modelling, four main situations that generate a water hammer were considered: pump start – stop and valve open – close events. These were modelled for the hydraulic system without a protection system, with the current protection system, with two 5 𝑚3 hydropneumatics tanks, and finally, with a protection system consisting of only one 5 𝑚3 hydropneumatics tank. Results from the simulation indicate that the system with two 5 𝑚3 hydropneumatics tanks adequately withstands pressure waves for all water hammer – generating cases. In conclusion, to avoid over – sizing, it is essential to model de hydraulic system and validate the selected protection system, thus preventing unnecessary expenses in the mining industry.