Bomba de ariete yovera - apuntes de hidraulica PDF

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Conceptos de bomba de ariete la bomba de ariete es un sistema de impulsión que aprovecha la energía potencial gravitatoria del agua para la elevación de una porción de la misma, mediante la transformación de la energía potencial, primero, en energía cinética y posteriormente en ondas de presión, conocidas como golpes de ariete. (Rivadeneira y Silva, 2013, p.76). Es una máquina hidráulica que utiliza la energía de una cantidad de agua situada a una altura ligeramente superior (el desnivel de un río, presa, acequia u otro depósito o caudal), con el propósito de elevar una parte de esa agua hasta una altura superior, sin usar la energía eléctrica o combustibles fósiles. El agua suministrada desde la fuente de captación desciende por gravedad por la tubería de carga hasta la bomba para provocar una sobrepresión ocasionada por la apertura y cierre continuo de una válvula. Esta sobrepresión producida es el origen del fenómeno físico conocido como golpe de ariete y es el principio para su funcionamiento. (Arapa, 2014. p.12). Una bomba de ariete pertenece al grupo de bombas hidráulicas que no requieren de ningún tipo de energía, ya sea eléctrica o térmica, pues su funcionamiento es completamente mecánico, ya que se basa en el aprovechamiento que produce el fenómeno del golpe de ariete debido al cierre brusco de válvulas. Esta bomba es recomendable para lugares en donde el acceso a la energía eléctrica sea limitado. Este dispositivo se encarga de transportar y elevar el agua necesaria para cualquier tipo de actividad, haciendo desde ríos, tanques, lagos, etc. (Gutiérrez y Mancebo, 2013. p.142)

Conceptos de eficiencia hidráulica La eficiencia de la bomba hidráulica se considera técnicamente como una relación de la salida del caudal real a la salida del caudal teórico de la bomba. Para el operador del equipo, la eficiencia de la bomba se considera generalmente en relación con el consumo de combustible o energía y la capacidad de respuesta del sistema. (David, 2018, p.78).

La eficiencia hidráulica está severamente afectada por la configuración del paso de caudal de la máquina. Para mejorar la eficiencia hidráulica el fabricante realiza continuas mejoras en la uniformidad de las superficies por el caudal. (falta agregar autor). IMÁGENES

Figura 1: Componentes típicos del sistema hidráulico de la bomba de ariete. Fuente: Rivadeneira y Silva (2013)., p.29.

Reservorio de alimentación Constituye la fuente de suministro de agua y permite la entrada a la tubería de alimentación. Tubería de alimentación Conducto rígido relativamente corto, que cubre totalmente el salto hidráulico, conduciendo el agua desde el reservorio de alimentación hasta la válvula de impulso. Válvula de control Es una válvula que sirve para detener el flujo de ingreso, cuando se requiere parar la bomba de ariete en caso de efectuar mantenimiento. Válvula de impulso Elemento principal, válvula ubicada en el extremo aguas debajo de la tubería de alimentación, cuyo cierre instantáneo origina la sobrepresión que permite

bombear parte del agua de alimentación del ariete, y cuya apertura permite la salida o alivio. Válvula de aire Un pequeño orificio ubicado en la zona de válvula, permite ingresar y restituir lentamente el aire que se pierde al mezclarse con el agua y salir junto con ella a través de la tubería de descarga. Válvula de retención Válvula de tipo check, localizada al ingreso de la cámara de aire, cuya apertura origina el paso de una parte del gasto de alimentación (Q) hacia la cámara de aire y cuyo cierre evita el flujo en sentido opuesto. Cámara de presión Ubicada inmediatamente por encima de la válvula de retención, el aire comprimido que en ella se confía, permite el ascenso del agua a través de la tubería de descarga, al actuar en forma similar a la de un resorte. Tubería de descarga Conducto que transporta el agua desde la cámara de aire hasta el reservorio de almacenamiento o sistema de distribución. No necesariamente esta línea de conducción tiene que ser rígida.

Figura 1: Esquema del principio de funcionamiento del ariete hidráulico Fuente: Lizana (2018)., p.18.

Altura de suministro La altura de suministro es el desnivel que hay entre el espejo de agua del tanque de captación hasta el punto de instalación del ariete, este desnivel es el motor de la instalación y cuanto mayor sea el desnivel, mayor será el rendimiento. Por esta razón debemos conseguir la mayor caída posible para un funcionamiento óptimo de la instalación. La altura mínima para instalar un ariete hidráulico es de un metro y la altura máxima es de veinte metros. (Martínez Montes, 2012), Altura de entrega o descarga. La altura de entrega es el trabajo que debe desempeñar la bomba para bombear el fluido hasta un nivel determinado, para utilizar el fluido en funciones como: riego, almacenamiento de agua, distribución, potabilización del agua entre otros. La altura de entrega suele especificarse en metros. Tubería de suministro Permite la entrada del agua desde el tanque de suministro hasta el cuerpo de la bomba con la ganancia adicional de la velocidad. Resistir el efecto del golpe de ariete. Por esta razón es recomendable usar tuberías de acero galvanizado

o tuberías de hierro, ya que son más rígidos y ofrecen muy poca resistencia al rozamiento haciendo al golpe de ariete más efectivo. Tubería de entrega o descarga. La tubería de descarga se encarga de conducir el fluido hasta el tanque de descarga. Caudal de suministro Es la cantidad de líquido que circula por la tubería de suministro en tiempo determinado. Válvula de impulso: Elemento principal, válvula ubicada en el extremo aguas debajo de la tubería de alimentación, cuyo cierre instantáneo origina la sobrepresión que permite bombear parte del agua de alimentación del ariete, y cuya apertura permite la salida o alivio. Válvula de entrega Es una válvula que sirve para detener el flujo de ingreso, cuando se requiere parar la bomba de ariete en caso de efectuar mantenimiento. Cámara de aire Ubicada inmediatamente por encima de la válvula de retención, el aire comprimido que en ella se confía, permite el ascenso del agua a través de la tubería de descarga, al actuar en forma similar a la de un resorte. Tubería de descarga Conducto que transporta el agua desde la cámara de aire hasta el reservorio de almacenamiento o sistema de distribución. No necesariamente esta línea de conducción tiene que ser rígida. Válvula de aire Un pequeño orificio ubicado en la zona de válvula, permite ingresar y restituir lentamente el aire que se pierde al mezclarse con el agua y salir junto con ella a través de la tubería de descarga. Válvula de retención

Válvula de tipo check, localizada al ingreso de la cámara de aire, cuya apertura origina el paso de una parte del gasto de alimentación (Q) hacia la cámara de aire y cuyo cierre evita el flujo en sentido opuesto. Ventajas y desventajas de una bomba de ariete

Ventajas: 1. No requiere electricidad, combustible ni trabajo humano para su funcionamiento. 2. Todo el equipo es de bajo costo y sus piezas son de fácil recambio, materiales de 3. reparación de fácil acceso. 4. Requiere un mínimo de manutención. 5. Funciona automáticamente ante un suministro de agua. 6. Puede usarse todo el año en los cuerpos de agua disponibles. Desventajas: 7. La altura a la que se desea bombear depende de la caída de agua. 8. Bombeo por pulsación 9. Bombea poco caudal. 10.Rendimientos bajos en relación a las electrobombas y motobombas. Las ventajas del ariete son: funcionamiento autónomo, no necesita energía extra; tiene un mínimo costo de mantención, es de operación continua (las 24 horas del día), posee una larga vida útil (mínimo 50 años), y su operación es muy simple. La principal desventaja es su baja eficiencia, ya que el caudal elevado no supera el 40% del caudal de entrada al ariete. (Ortega, 2011, p97) (opcional)

Altura energética o altura de entrega la altura de entrega viene dada por el requerimiento de elevar el fluido a un nivel determinado, para orientar la utilización del líquido hacia una función específica entre las cuales se pueden mencionar: riego, almacenamiento de agua, distribución, potabilización del agua, entre otros. (Rivadeneira y Silva, 2013, p97) Altura de bombeo

Altura efectiva. Medida lineal vertical de la altura máxima de agua que puede elevar una bomba en concreto respecto a su punto de salida. (Schaum 2015, p134). Ecuación de la energía concepto La ecuación general de la energía es una extensión de la ecuación de Bernoulli, el cual posibilita resolver problemas en los que hay pérdida y ganancia de energía. (Quijana. 2017, p45).

Altura dinámica La Altura Dinámica Total de bombeo representa todos los obstáculos que tendrá que vencer un líquido impulsado por una máquina (expresados en metros de columna del mismo) para poder llegar hasta el punto específico considerado como la toma más desfavorable. (Vargas. 2017, p12). Cavitación es un fenómeno que se produce cuando el fluido hidráulico disponible no es capaz de llenar todo el espacio existente. En esta situación el fluido pasa de estado líquido a gaseoso para después pasar a líquido de nuevo. Este caso se presenta frecuentemente en la entrada de las bombas hidráulicas cuando las condiciones de alimentación no son las adecuadas para conseguir mantener la entrada de la bomba completamente llena de aceite. (Vargas. 2017, p12). Análisis de elemento finitos Una técnica para modelar una estructura compleja. Cuando el modelo matemático es sometido a cargas conocidas, el desplazamiento de la estructura se puede determinar. (Valero, 2004, p111) Potencia hidráulica Si se define Q como el caudal del fluido suministrado por un sistema, mecanismo o equipo hidráulico, se puede establecer que la potencia útil suministrada al fluido por estos medios es la energía por unidad de tiempo,

quedando expresado la potencia hidráulica de la siguiente manera: (Ramírez y Gonzales, 2019, p41) 𝑃ℎ = 𝑃 ∙ 𝑃 ∙ ℎ 𝑃ℎ=Potencia hidráulica [𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃]. 𝑃 =Peso específico [𝑃 /𝑃 3 ]. 𝑃 =Caudal [𝑃3 /𝑃]. ℎ =Altura [𝑃]

retorno operación de la inversión Es una razón que relaciona el ingreso generado por un centro de inversión a los recursos (o base de activos) usados para generar ese ingreso. La fórmula usada es: (García y Perea, 2007, p48). ROI =

INGRESO INVERSION DE ACTIVOS

Valor actual neto (VAN) Es una cantidad monetaria, que refleja la diferencia entre el valor actual de los cobros menos el valor actualizado de los pagos; es decir, es el valor de todos los flujos de caja esperados referido a un mismo momento del tiempo. (García y Perea, 2007, p46). Tasa interna de rentabilidad (TIR) es un porcentaje que mide la viabilidad de un proyecto o empresa, determinando la rentabilidad de los cobros y pagos actualizados generados por una inversión. (Torres, 2019, p33) TESIS RELACIONADAS AL TEMA

Paredes y Tuquinga, (2012). Desarrollaron el trabajo de investigación denominado: “Diseño e instalación de un sistema de bombeo mediante ariete hidráulico en la comunidad de Airón Cebadas” con la finalidad de abastecer agua a la comunidad Airón Cruz Alto ubicada en la parroquia Cebadas Cantón Guamote de la provincia de Riobamba en el país de Ecuador, Obtuvieron un sistema de bombeo que cuenta con un caudal disponible de 4 l/s y una altura disponible de 17 m. donde la bomba de ariete hidráulico en su funcionamiento óptimo eroga un caudal de 13.2 l/min, desarrollando una eficiencia del 45%, con una carrera de la válvula de impulso de 20mm, 70 golpeteos al minuto y una altura de descarga de 170 m. Barney, etal. (2012). Realizaron un proyecto multidisciplinario en base a la bomba de ariete hidráulico construida por el Ing. E. Barney en el año 2011, con el objeto de obtener un nuevo diseño y desarrollo de la válvula de ariete, elaborando con materiales resistentes a la corrosión y al desgaste; como así también la construcción general de la bomba utilizando materiales disponibles en ferreterías de la zona. Cuyos resultados lo presentaron en términos de características

de

diseño

y

construcción;

curva

de

rendimiento

y

recomendaciones para obtener su mejor prestación. Concluyeron que el nuevo diseño troncocónico de la válvula favoreció al buen funcionamiento, alcanzando un rendimiento del 60%. Iofrío (2020), En su trabajo Estudio paramétrico de la bomba de ariete tiene como finalidad el análisis de una bomba de ariete para obtener una idea aproximada del rendimiento que cabe esperar de este tipo de bombas, y así concretar si son una alternativa adecuada para aquellas zonas aisladas en las que se pretenda implantar su uso; así como que parámetros son los que gobiernan el funcionamiento de la misma. La motivación de este proyecto es el estudio científico del funcionamiento de la bomba de ariete. Para ello, se realizará un estudio paramétrico de la misma para concretar cuales son aquellos que influyen en el funcionamiento de la bomba. Posteriormente, y cumpliendo un plan de experimentos, se buscará la obtención de la curva característica del modelo, el rendimiento derivado de la relación de caudales aspirado e impulsado y la eficiencia de la bomba en función del caudal

impulsado y del caudal de la válvula de ariete frente a la relación de presiones de la aspiración y la impulsión. Bardon, Mario y CAQUI (2017), En su trabajo de investigación Diseño e instalación del sistema de bombeo mediante ariete hidráulico para solucionar los problemas de agua potable de la localidad de Huachog - CPM Colpa baja de la provincia de Huánuco. Precisaron que: Realizaron un análisis para la elaboración de un equipo ecológico con un caudal de ingreso de 4 lts/seg, 70 golpes/ min con una carrera de 20mm, a una altura 170 m.c.a. Dando un caudal de descarga de 13,2 lt/min y una eficiencia del 45%. La existencia de un reservorio ubicado en una cota de 1950 msnm. el cual consta con una altura de descarga de 100 m.c.a, 70 golpes/ min a una carrera de 20mm, dando un caudal de 20 lt/min y una eficiencia 67,85%. Logrando un almacenamiento 28512 lt/día, beneficiando a 57 familias. Sostienen al comparar entre el bombeo de ariete hidráulico y la bomba a combustión, se puede verificar que la adquisición e instalación de bombas mediante combustión y energía eléctrica tienen un precio elevado y además el consumo de combustible y/o energía eléctrica eleva más su costo y que el uso de arietes hidráulicos es rentable a diferencia de otros sistemas de bombeo bajo determinadas condiciones de diseño. Además, es una alternativa amigable con el ambiente, convirtiéndose como una buena opción para lugares donde se requiere conservar el ambiente. Rojas, Daniel (2013). En su trabajo de investigación titulado: Utilización de una bomba de ariete para alimentación de agua a predios rurales, a partir de cauces naturales de agua. Iquitos- Perú. Precisa: los arietes de plástico permiten elevar a alturas mayores desde el nivel del agua, producida por la misma. Así también el caudal de descarga, desecho, rendimiento y potencia desarrollada disminuyen con el incremento de la altura. Este medio tiene disponibilidad por los materiales existentes en el mercado y la mano de obra necesaria. Referencias

PAREDES, T. “Diseño e instalación de un sistema de bombeo mediante ariete hidráulico en la comunidad de Airón Cebadas”. Ecuador: Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, 2012. BARNEY, E. Los estudiantes de la Facultad de ingeniería realizaron proyecto multidisciplinario en base a la bomba de ariete hidráulico construida por el Ing. E. Barney. Argentina: Universidad Nacional de Misiones de la ciudad de Oberá, 2011

IOFRÍO. Estudio paramétrico de la bomba de ariete. Colombia: Universidad politécnica de Cartagena, 2020. Bardon, M. Diseño e instalación del sistema de bombeo mediante ariete hidráulico para solucionar los problemas de agua potable de la localidad de Huachog - CPM Colpa baja de la provincia de Huánuco. Universidad Nacional de la Amazona Perú: 2017. ROJAS, D. Diseño y construcción de una bomba de ariete para una capacidad de 102 litros por hora y una altura de 8 metros. Universidad Católica de Santa María. Arequipa. Perú. 2015. importancia económica y ambiental de la utilización de las bombas de ariete Dar una nueva opción para solucionar una de las principales necesidades por las que sufren las zonas rurales, a pesar de contar con la economía necesaria para mejorar las condiciones de vida sin afectar el medio ambiente. Este estudio ayudara a fomentar el desarrollo. Además, que una de las ventajas principales de la bomba de ariete son los materiales de construcción son asequibles y económicos, lo cual nos brinda una opción económica y sobre todo conservadora con el medio ambiente. BOMBA DE ARIETE HIDRÁULICO SIN CÁMARA DE AIRE Es la bomba de ariete hidráulico más económica y sencilla de construir, además de ser extraordinariamente eficiente al tener la válvula de elevación en línea con la tubería de alimentación la onda de choque incide directamente en ella aumentando el rendimiento y simplificando su construcción. Esta bomba de ariete hidráulico no utiliza cámara de aire o vaso de expansión la función de absorber los impactos de los golpes de ariete y convertir el caudal

de agua pulsante en caudal de agua continuo se consigue con una tubería flexible de goma, silicona, caucho etc.

Figura 3: Componentes típicos bomba de ariete sin cámara de aire. Fuente: Pérez (2011)., p.65

1-

T cuerpo o caja de válvulas

2-

Tubería de alimentación

3-

Valvula de ariete o valvula de impacto

4-

Codo pvc desagüe valvula ariete

5-

Pesa plomo

6-

Tuerca y contratuerca vástago valvula ariete

7-

Reducciones o machones reducidos

8-

Valvula retención o valvula de elevación

9-

Racor conexión macho manguera

10- Abrazadera 11- Manguera flexible 12- Desagüé ariete

Figura 3: Diámetro bombas de ariete hidráulico sin cámara de aire Fuente: Pérez (2011)., p.65

Cuadro 1. Eficiencia del ariete hidráulico en función a la relacion de alturas h/H, según la formula de wodicka

Cuadro 2. Rango del caudal de entrada Q para diferentes tamaños de ariete.

Cuadro 3. Caudal necesario para accionar la bomba de ariete.

Para el uso del ariete es necesario contar con una quebrada o un rio que sea permanente, el caudal necesario de entrada para accionar la bomba de ariete, se muestra en el cuadro 3....