Bomba de ariete hidraulico
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trabajo final de sistemas y maquinas de fluidos, en el instituto tecnologico de acapulco, procedimientos y componentes....
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INTRODUCCIÓN La bomba de ariete, es un sistema diseñado para provocar reiteradamente el golpe de ariete, de cuya energía se vale para impulsar agua a un nivel más alto. En este proceso, el sistema pierde agua para compensar la altura que eleva. Son uno de los tipos de bomba de agua que funcionan aprovechando la energía hidráulica, sin requerir otra energía externa. Mediante un ariete hidráulico, se puede conseguir elevar parte del agua de un arroyo o acequia a una altura superior. También se puede emplear para riego por aspersión. El ariet ariete e hidrá hidrául ulic ico o es un sist sistem ema a de const construc rucci ción ón senci sencilllla a y el rendi rendimi mien ento to energético es de cerca del 70%. Esta tecnología se desarrolló en Alemania en 1796, cuando Joseph M de Montgolfier, coinventor del globo aerostático de aire caliente, construyó un ariete de operación automática. En Nicaragua existen instalados y operando una cantidad considerable de arietes hidráulicos o bombas de ariete. Ejemplo de ello es uno que tiene más de 40 años de estar operando en la zona de Boaco y se encuentra en perfecto estado. A partir de su invención, el ariete hidráulico tuvo una amplia difusión por todo el mundo. Baste decir, a modo de ejemplo, que estuvo presente en las famosas fuentes del Taj Mahal en la India, o en el Ameer de Afganistán. Con el tiempo cayó en desuso, sobre todo debido al avance arrollador de la bomba centrífuga. En la actualidad asistimos a un renacer del interés acerca de este aparato, debido a que es tecnológicamente accesible, eficiente, ecológico y muy didáctico. En nuestro país, las mejores condiciones para trabajar con los arietes de forma generalizada se encuentran en la zona norte, debido a la topografía quebrada del terreno, lo que provoca que los ríos y quebradas cuenten con muchas caídas de agua en su recorrido, creando las condiciones óptimas para su empleo. En otras zonas también es posible su desarrollo, considerando que con un buen diseño o con los componentes adecuados es posible su accionamiento con una caída que puede ser provocada, de solo cincuenta centímetros. Así se extiende la viabilidad de uso en distintos lugares del territorio Nacional donde se encuentren escorrentías superficiales (Ríos, quebradas, etc.) Esta tecnología se esta desarrollando en pequeños talleres quienes trabajan de forma empírica pero muy innovadores, lográndolos fabricar sin tener un nivel académico o conocimientos de hidráulica, con el cual puedan certificar cada uno de estos modelos. Por ello mismo no logran ofrecer información técnica de los equipos que producen e instalan. La promoción de este sistema no ha contado con todas las especificaciones técnicas que amerita la tecnología. Así su construcción, instalación y la operación depende exclusivamente de la experiencia de sus promotores.
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ANTECEDENTES El establecimiento de la teoría básica se inicio con las contribuciones de Joukousky y Allievi hace alrededor de 85 años. A estas le siguieron muchas otras contribuciones como él calculo numérico gráfico y las computadoras. Aun cuando la teoría y el mecanismo de calculo del fenómeno del golpe de ariete en líneas de descarga de bombas centrifugas ha avanzado mucho últimamente, hay muchos aspectos que pueden ser confusos para muchos. Durante los años ochenta, esta tecnología empezó a expandirse. Tanto por la crisis del petróleo como por la llegada al país de distintos grupos cooperantes. De aquí a finales del 90, se mantuvo el concepto de que era una tecnología solo para pequeños caudales y es hasta inicios del 2000 que se instalan y prueban modelos para una escala mayor.
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JUSTIFICACIÓN En poblaciones que carecen de una fuente cercana de agua para el uso dentro del hogar y del riego en campos es un problema que en el estado de guerrero es de lo más común y la falta falta de recursos económicos y de un subministro de energía eléctrica hacen que este problema sea aun mayor, la gente utiliza animales de carga para la transportación del agua y esto solamente para el uso personal, no olvidemos los campos que no tienen un sistema de riego. Este problema se puede resolver implementando el uso de una bomba de ariete hidráulico, debido a que no requiere de una fuente de energía eléctrica para su funcionamiento y su costo no es mayor al de un sistema de bombeo de motor eléctrico, esto puede beneficiar a muchas comunidades rurales y ayudara a una mayor producción de productos agrícolas provenientes de estas, y debido a que este sistema no requiere más que la presión de caída del agua su nivel de emisiones dañinas para el medio ambiente es de 0%.
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Evaluar el funcionamiento de los arietes hidráulicos, en condición de campos para la elaboración de una base de datos técnicos. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Estudiar el comportamiento del sistema de bombeo por ariete hidráulico. Entender el funcionamiento del ariete hidráulico. Incrementar el rendimiento energético del ariete hidráulico dentro del campo.
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¿ Q u é La Física reconoce el fenómeno denominado golpe de ariete o choque es hidráulico, que ocurre cuando varía bruscamente la presión de un fluido dentro una tubería, motivado por el cierre o abertura de una llave, grifo o válvula; el de también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor o g bomba hidráulica. Durante la fluctuación brusca de la presión el líquido fluye a ol lo largo de la tubería a una velocidad definida como de propagación de la onda p de choque. e d El cambio de presión provoca deformaciones elásticas en el líquido y en las de la tubería. Este fenómeno se considera indeseable porque causa e paredes frecuentes roturas en las redes hidráulicas de las ciudades y en las ar instalaciones intradomiciliarias, y también es causante de los sonidos ie característicos que escuchamos en las tuberías cuando abrimos un grifo te bruscamente en nuestras casas. Por tal razón, con frecuencia se diseñan ? válvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad. El científico ruso N. Zhukovski (1847-1921) estudió este fenómeno por primera vez en su obra Sobre el choque hidráulico, como parte de sus indagaciones hidroaeromecánicas, que constituyeron la base teórica para la ulterior comprensión del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico, lo que demuestra que los fenómenos físicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armónica actuación del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano. El uso de tecnologías alternativas como es implementar los sistemas de ariete hidráulico, cuya máquina de auto operación utiliza como fuente de energía, el
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El sistema se basa en el fenómeno conocido en la hidráulica como golpe de ariete, el cual se observa cuando se interrumpe el flujo de agua cerrando bruscamente una tubería. La energía cinética, que trae el agua en movimiento, al ser detenida, origina un aumento brusco o golpe de presión. Con el ariete hidráulico se producen continuamente estos golpes en un tubo que se alimenta con agua de una presa, de un río o cualquier desnivel, y se aprovechan los aumentos de presión para mandar una parte del agua que pasa por el tubo a una altura superior.
¿Qué es el ariete hidráulico? La bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico es un motor hidráulico que utiliza la energía de una cantidad de líquido (comúnmente agua) situada a una altura mayor (el desnivel de un río, presa, acequia u otro depósito o caudal), con el objetivo de elevar una porción de esa cantidad de líquido hasta una altura mayor que la inicial, mediante el empleo del fenómeno físico conocido como golpe de ariete. El equipo bombea un flujo continuo y funciona ininterrumpidamente sin necesidad de otra fuente de energía. El ariete hidráulico también puede compararse con un transformador eléctrico, ya que éste recibe una tensión baja (en voltios) con una corriente eléctrica relativamente alta (en amperios) y obtiene un régimen de mayor tensión y menor amperaje, y en el caso del ariete ocurre un proceso similar a nivel hidráulico: recibe un u n gran caudal (Q + q) con una baja carga (H) y obtiene un régimen de mayor presión (h) con un menor caudal (q).
Funcionamiento 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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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. Los fontaneros conocen muy bien el golpe de ariete; cuando se cierra bruscamente un circuito abierto de agua, toda la tubería se estremece y los manómetros enloquecen. A menudo se producen roturas por esta causa. 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.
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El caudal elevado (q) Depende del rendimiento (R), el caudal de alimentación (Q), el desnivel de trabajo (h) y la altura de elevación (H). La ecuación por la que se relacionan es la siguiente: q=R·Q·h/H Por ejemplo: Q (Caudal de alimentación) = 100 litros/minuto h (desnivel de trabajo) = 3 metros H (Altura de elevación) = 24 metros La relación H/h = 8, luego el rendimiento del ariete en estas condiciones equivale al 57% (0’57). El caudal elevado q = 0,57 · 100 · 3 / 24 = 7,125 litros/minuto = 10260 l/día. El caudal de alimentación (Q) El ángulo de inclinación del tubo de alimentación (q) debe estar entre los 10º y los 45º con la horizontal. El caudal de alimentación del ariete dependerá del diámetro de dicho tubo de acometida. En la siguiente tabla se pueden ver relacionados estos parámetros, para tubería de hierro galvanizado, que es la más recomendable para alimentar arietes hidráulicos. Hay que tener en cuenta que el agua que se acelera en el tubo de alimentación, es la que provoca el “golpe de ariete”, por lo que este ha de tener una longitud, inclinación y diámetro adecuados, sin curvas ni estrechamientos que provoquen pérdidas de carga por rozamiento. En el esquema se muestran los elementos esenciales para el funcionamiento del ariete hidráulico, que son: -La presa, un río o cualquier otro medio que permite crear un desnivel en relación con el ariete. • • •
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Por otro lado, para que el ariete funcione, debe haber un desnivel des nivel mínimo de un metro de altura entre la toma de agua y la entrada del ariete. Cuando hay una caída natural de agua es muy simple la instalación. El rendimiento del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, y varía en función del cociente H/h. Al aumentar el valor resultante, el rendimiento disminuye. Hay que tener en cuenta que el agua que se acelera en el tubo de alimentación, es la que provoca el “golpe de ariete”, por lo que este ha de tener una longitud, inclinación y diámetro adecuados, sin curvas ni estrechamientos que provoquen pérdidas de carga por rozamiento. Una vez instalado el ariete, se varia el recorrido del eje subiendo bajando el contrapeso y el peso de este hasta que al abrir la llave de paso y subir y bajar l eje de de la mano varias veces el ariete estabilice a un ritmo de 1 a 2 golpes por segundo. Cuando un ariete es bien construido y debidamente instalado el mantenimiento es mínimo. Para facilitar las labores de limpieza es aconsejable ensamblar las partes aisladas mediante uniones desmontables. Las partes que deben chequearse generalmente son: válvula de impulso el impulso, la válvula de descarga, tuercas y tornillos que pueden aflojarse y destruirse producto de la corrosión, limpiar el filtro y regular la válvula de aire.
Esquema Sobre el Funcionamiento del Ariete Hidráulico.
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3. Válvula de impulso 4. Válvula de retención 5. Cámara de aire 6. Caja de válvulas 7. Tubería de descarga 8. Tanque de abastecimiento.
Componentes y precios de la bomba de ariete hidráulico. • • • • • • • • • • •
3 codos 90° de 1” galvanizados 1 codo 45° de 1” galvanizado 3 “T” de 1” galvanizado 10 m de manguera transparente 1” 10 m de manguera transparente ½” 1 válvula paso 1” de pvc 1 válvula paso ½” de pvc 1 adaptador botella para manguera de 1” galvanizado 1 válvula check de 1” galvanizada 8 niples de 1” x 1” galvanizado 1 niple de 1” x 2” galvanizado
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Diferente lugar Por pieza
en conjuntó
Por piez a
En conjunto
3 codos 90° de 1” galvanizados
17
51
20
60
1 codo 45° de 1” galvanizado
20
20
22
22
23.50
70.50
25
75
15m
150
17
170
17
170
19
190
1 válvula paso 1” de pvc
41.20
41.20
45
45
1 válvula paso ½” de pvc
23.20
23.20
25
25
18 70
18 70
Material requerido
3 “T” de 1” galvanizado 10 m de manguera transparente 1” 10 m de manguera transparente ½”
1 adaptador botella para manguera de 1”
23.5
23.50
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0 2 válvulas (pichanchas) 1” de bronce.
88.90
178
92.5 0
185
1 reducción de 1” a ½” galvanizado
18.60
18.60
20
20
1 tapón de pvc de 4”
24.50
24.50
27
27
135
135
145
145
6.10
6.10
8.50
8.50
10
10
12.5 0
12.50
38
38
42.5 0
42.50
1
$1 262.20
1m de tubo de pvc de 4” 1 reducción de 4” a 2” de pvc 1 reducción de 2” a 1” de pvc 1 nible con cuerda hembra de 1” pvc
Total
$88 $825. 3
$1 302.50
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Asegúrese de colocar correctamente el resorte y la compuerta y asegurar firmemente la taba de esta.
La cámara de aire tiene que estar constituida por 7 piezas, corte 1.2m de tubería de pvc de 4”.
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medida con la reducción de 2” a 1” esta tiene que ser ligeramente calentada para facilitar el ensamble, ya con esto se procede a colocar el pegamento para pvc en las partes que tendrán contacto.
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Se checan todas las uniones para que no se presenten fugas. •
Martes 08 de marzo del 2011.
Primera prueba de la bomba sin que esté presente fugas, sigue sin funcionar debido a la falta de algunas piezas. Se identificaron las piezas faltantes. •
Miércoles 09 de marzo del 2011.
Se compran 10m de manguera, una abrazadera abrazadera de una pulgada y el adaptador de una pulgada. •
Jueves 10 de marzo del 2011.
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Se arma la bomba con las piezas que tenia faltantes. •
Lunes 21 de marzo del 2011.
Se le añade el tanque a la bomba de ariete hidráulico para la segunda prueba ya contando con todos los componentes y una configuración correcta. No se pudo probar en las instalaciones del instituto debido a la falta de agua en el depósito. •
Martes 22 de marzo del 2011.
Tratamos de hacer una prueba en las instalaciones del instituto pero la falta de agua en el depósito nos impide realizarla.
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fuerza mayor para evitar que la presión del agua mantenga abiertas las válvulas y el sistema de bombeo no funcione. Ya con los resortes la bomba comenzó su funcionamiento bombeando así a una altura mayor a 6m esto quiere decir que se bombea al doble de la pendiente que tenga la bomba. •
Lunes 28 de marzo del 2011.
No sé trabajo en el proyecto. •
Martes 29 de marzo del 2011.
No sé trabajo en el proyecto.
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•
Lunes 11 de abril del 2011.
No sé trabajo en el proyecto. •
Martes 12 de abril del 2011.
No sé trabajo en el proyecto. •
Miércoles 13 de abril del 2011.
Comienza a redactar la parte teórica del proyecto. •
Jueves 14 de abril del 2011.
No sé trabajo en el proyecto.
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Se investigan los precios de los componentes en dos diferentes establecimientos para así obtener el mejor precio.
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Al concluir esta investigación, esperamos poder demostrar, con las variables planteadas en este estudio, la eficiencia de cada uno de los sistemas de ariete hidráulicos así como en casos puntuales señalar que tipo de sistemas necesita ser replanteado para que trabaje con mayor eficiencia. También que a corto o mediano plazo, este estudio sea el medio para que otros
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descarga para algún riego o dirigirla hacia algún deposito que cuente con una bomba eléctrica para su elevación el eso de esta seria solo en dado caso de que el depósito este lleno y gracias al ariete hidráulico se podría reducir el uso de la bomba eléctrica hasta en un 50 porciento.
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