Bomba de Ariete

BOMBA DE ARIETE

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Mg. Amancio Rojas Flores

El ariete hidráulico es una máquina que aprovecha únicamente la energía de un pequeño salto de agua para elevar parte de su caudal a una altura superior Fue inventado en 1796 por Joseph Mantgolfier (1749-1810) y su ingenio se difundió ampliamente por todo el mundo Con el tiempo cayó en desuso sobre todo debido al avance arrollador de la bomba centrifuga.

En la actualidad asistimos a un renacer del interés sobre este artilugio merced a que es eficiente, ecológico y muy didáctico.

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Una bomba de Ariete Hidráulico, es una máquina que funciona de modo muy diferente de cualquier otra clase de bomba y no necesita motor para su funcionamiento. Esto quiere decir que aprovecha parte del agua para su funcionamiento y entrega el resto forzando el agua a un nivel mas elevado

Esta maquina puede ser adaptada fácilmente a las condiciones geomorfológicos e hidrológicas del Perú, al permitir el bombeo de las partes bajas de los ríos u otros, hacia las zonas altas, con el fin de satisfacer la provisión de agua

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EL FENÓMENO DEL GOLPE DE ARIETE

Este fenómeno es de naturaleza transitoria y de régimen variable que es ocasionado cuando se interrumpe o desvía bruscamente el régimen del movimiento del agua. El golpe de ariete se produce en los ductos al abrir o cerrar una válvula, al poner en marcha o al parar una máquina hidráulica, o al disminuir bruscamente un caudal.

Este fenómeno ocasiona en los ductos fuertes elevaciones de presiones sobre las paredes de los mismos que muchas veces no la soportan y traen como consecuencia graves y funestos resultados. Mg. ARRF

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DEFINICIONES DE TÉRMINOS EMPLEADOS ALTURA DE CARGA (H):Llamada también altura de alimentación, es la caída aprovechable para accionar la válvula que produce el golpe de ariete en la bomba; esta no debe ser inferior a 1m. El rango de alturas H varía comúnmente de 1 a 30m, el funcionamiento de la bomba es muy inestable. Para aprovechar al máximo esta altura, se puede “enterrar” el cuerpo de la bomba hasta el nivel de la válvula de derrame.

CAUDAL DE ALIMENTACIÓN (Q) Es el caudal que proviene desde la fuente de alimentación hasta la bomba a través de la tubería de alimentación.

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TUBERÍA DE CARGA (AB) Es la tubería (llamada también tubería de conducción, la cual permite conducir el agua desde la fuente de suministro hasta la caja de válvulas. CAJA DE VÁLVULAS (E) Es la estructura metálica perteneciente al cuerpo de la bomba, la cual alberga en su interior a 3 válvulas; ellas son: la válvula de cierre, la válvula de derrame y la válvula de aire

VÁLVULA DE CIERRE (G) Es aquella válvula que comunica la caja de válvulas con el tanque de aire o acumulador. La válvula de derrame se cierra y abre en forma alternada con la válvula de cierre.

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ACUMULADOR (F) Comunica al cuerpo de la bomba de ariete con la tubería de descarga. Sirve de “pulmón” para bombear agua hacia el tanque en nivel superior.

TUBERÍA DE DESCARGA (D) Tubería inclinada que permite conducir el agua desde el cuerpo de la bomba hasta el tanque elevado.

ALTURA DE DESCARGA (h) Es la distancia vertical que existe desde el cuerpo de la bomba hasta el tanque elevado.

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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE ARIETE El ciclo se inicia cuando el agua de alimentación U penetra en la caja de válvula E por medio de la tubería de alimentación A-B

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Si se abre la válvula C, el agua llega alrededor del disco de la misma y se derrama por ella.

El agua empieza acelerarse haciendo que la presión dinámica aumente rápidamente, hasta que, por efecto de la fuerza de arrastre, la válvula de derrame C se cierra casi instantáneamente y se mantiene así por todo el resto del ciclo, debido a la presión en la caja de válvula E.

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Como el agua que entra en la caja tiene una velocidad considerable, se produce una percusión o golpe de ariete hidráulico que origina una presión alta sobre el disco de la válvula G, la cual se abre y se produce un alivio. Esto permite que una parte del agua pase al acumulador, donde comprimo el aire a su contenido.

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El agua sigue fluyendo en su interior hasta que la presión reduzca la velocidad a cero. Entonces la válvula G se cierra aprisionando el volumen de agua que penetro y que por efecto de la elasticidad del aire, es impulsada a través de la tubería de descarga D hacia el reservorio.

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Cerrada la válvula G, la depresión oscilatoria (velocidad negativa) del golpe de ariete hace descender la válvula C, la cual se abre y permite que el agua se derrame fuera de la caja de válvulas. En este instante, la válvula C, empieza a cerrarse por efecto del derrame del liquido, con lo que se repite el ciclo de trabajo.

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El aire del acumulador F, que permite elevar el agua y regularizar su velocidad en la tubería de descarga D, se va disolviendo en el agua, y para evitar que, por su desaparición, el ariete deje de funcionar, es necesario renovarlo, manteniendo un cierto volumen.

Este es papel de válvula de aire J, que esta cerrada durante todo el ciclo, excepto en el instante en que aparece la presión negativa en el fluido. En ese momento se abre para admitir una pequeña cantidad de aire.

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Para conseguir que el aparato funcione automáticamente, solo se tiene que accionar el vástago de la válvula C abriéndola y cerrándola varias veces .Luego de breves instantes, la bomba opera automáticamente.

Para interrumpir su trabajo, es suficiente detener el vástago de la válvula de descarga C, durante un momento, al cabo del cual la bomba se habrá detenido.

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CONDICIONES DE OPERACIÓN ALTURA DE ALIMENTACIÓN H 1m ≤ H ≤ 30 m CAUDAL DE ALIMENTACION Q Y CAUDAL DE DECARGA q Q ≥ 5 l / min q ≤ Q/2 RELACION ENTRE ALTURAS DE DESCARGA Y ALIMENTACIÓN (h/H) 4≤ h/H ≤ 30

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NUMERO DE GOLPES POR MINUTO GPM Y TIEMPO DE CICLO Si el ariete opera con un numero bajo de golpes por minuto el caudal de bombeo q aumenta . Por el contrario, a mayor numero de golpes, el funcionamiento es mas rápido, con lo que se consigue bombear hasta alturas de descarga mayores. El rango para el numero de golpes se reduce así a:

30 ≤ GPM ≤ 140 ALTURA DE CAÍDA Y CAUDAL DE ALIMENTACIÓN La altura de caída y el caudal de alimentación representa la energía disponible, la cual se convertirá en la altura de elevación y caudal de descarga, estas relaciones se pueden expresar mediante la siguiente relación.:

q = Mg. ARRF

Q .H h .n

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EL ACUMULADOR Se trata de una cámara de aire. En su interior, un volumen de aire se comprime y amortigua la onda de presión que el golpe de ariete se genera. Si el acumulador se llena totalmente con agua, el ariete golpeará fuertemente, pudiendo producirse su rotura. Aquí el aire contenido en el acumulador sirve como elemento elástico que hace que el agua fluya, por la tubería de descarga con una velocidad aproximadamente constante. El nivel de agua en el acumulador desciende y asciende a lo largo del ciclo de trabajo variando entre valores Vmín y Vmáx. La diferencia entre estos valores representa la cantidad fluctuante de agua en acumulador. Las variaciones de volumen de aire y agua producen cambios en la presión del acumulador. La compresión y dilatación se producen de manera aproximadamente isotérmica, debido al trabajo cíclico del acumulador, pueden ocurrir fenómenos de resonancia. Por este motivo debe verificarse que sus dimensiones sean siempre menores a las correspondientes valores críticos. Mg. ARRF

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El volumen del acumulador se obtiene de :

Vac = Vm + U

2

donde : Vac : volumen del acumulador , m3 Vm : volumen medio del acumulador , m3 U : cantidad fluctuante de agua en acumulador , m3

Además:

U = 60 q

gpm

Donde: q : caudal de descarga , m3/s gpm : número de golpes por minuto en la bomba

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TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN Algunos autores proponen la siguiente formula para hallar dicha longitud que es:

( H)

Lp = H + 0.3 h EFICIENCIA

Para el estudio de la eficiencia del funcionamiento de la bomba , se plantean dos expresiones de rendimiento . Ambas tiene el debido sustento teórico Estas son: Formula de D’ Aubuisson:

q∗h n= × 100% Q∗H

Donde: n.: rendimiento de la bomba q.: caudal de descarga en m3/hr o l/s h.: altura de descarga en ,m Q: caudal de alimentación en m3/hr o l/s H: altura de alimentación en m

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Formula de Rankine:

q ∗ (h − H ) n= (Q − q ) ∗ H Aquí se considera que la bomba eleva un caudal q a una altura h-H acosta de la energía de un caudal Q-q por una altura H. Como se aprecia, esta expresión es menos completa que la anterior pus evalúa solo el rendimiento del bombeo, ignorando el rendimiento propulsora de la bomba. Experimentalmente se ha verificado que el rendimiento de la parte propulsora de la bomba de ariete esta en el rango:

0,2≤ n ≤0,70

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Se presentan algunas dimensiones de la bomba de ariete hidráulico estandarizadas (1) TAMAÑO DE LA BOMBA

BAH 1 ¼ BAH 1 ½ BAH 2 BAH 2 ½ BAH 3 BAH 4 BAH 6 BAH 8 BAH 10 BAH 12 BAH 20

φ EXTERIOR TUB. ALIMENTACIÓN (mm) 42 48 60 73 88.5 114 168 219 273 323 403

φ CUERPO DE (Pulg) 2 2½ 3 4 6 8 10 12 14 16 20

φ TUBERÍA DE DESCARGA (Pulg) 1/2 3/4 1 1 1½ 2 3 3 4 5 10 (1) tomado de los diseños de la PUCP

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LA VÁLVULA DE DERRAME Se le considera el componente más importante de la bomba de ariete hidráulico. Su papel es el de proporcionar el golpe de ariete necesario para bombear el agua y además permite la regulación de la capacidad de la bomba al modificar la carrera de su vástago y las fuerzas que actúan sobre ella. Los parámetros que intervienen en el diseño de esta válvula son: diámetro de vástago y tuercas, carrera y fuerza del resorte, área del platillo y coeficiente de arrastre sobre el platillo, peso de las válvulas. La condición que se debe cumplir viene dada por el equilibrio de la fuerza hidráulica con el peso de la válvula y con la fuerza del resorte en la apertura o cierre de la válvula.

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Tabla N° Dimensiones estandarizadas de la Válvula de derrame Tamaño bomba 11/2

φ del vástago Pulg mm

φ tuerca mm

Long. de Vástago (mm)

Peso vástago (N)

Resorte φ Interior (mm)

10

M10

160

1,80

12,2

13

M12

180

2,70

15,2

16

M16

180

4,70

19,2

3

3/ 8 1/ 2 5/ 8 3/ 46

19

M20

200

8,30

24,4

4

1

25

M30

220

11,0

35,4

6

11/2

38

M36

240

14,4

42,4

51

M48

280

17,2

56,6

2 21/2

8

2

10

21/2

64

M56

300

20,9

66,6

20

41/2

115

-----

1200

970,9

127,0

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VÁLVULA DE DESCARGA El papel de esta válvula es el de evitar que el agua bombeada regrese a la bomba después de cada ciclo de trabajo. El caudal que circula por ella es menor al caudal de alimentación y en el mejor de los casos llegará a ser la mitad. Por ello el área de la válvula de descarga es menor que el área de la válvula de derrame. Los parámetros que intervienen en su diseño son: el área de paso y el platillo, la carrera del vástago y su diámetro. Sus componentes son: asiento A, platillo P, vástago V, guía G, tuercas T y arandelas.

En tabla N° 7se muestran las dimensiones estandarizadas de las válvulas de descarga para cada tamaño de bomba de ariete.

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TABLA N° Dimensiones estandarizadas de la válvula de descarga Tama ño de la bomba 11/2 2 21/2 3 4 6 8 10 12 20

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φ vástago pulg. 5/16 3/8 1 /2 5/9 7/8 1 1 1/4 1 1/2 2 3 1/2

mm M8 M10 M12 M16 M24 M30 M36 M42 M48 -.-

Longitu d de vástago (mm) 50 60 70 80 110 130 150 180 200 500

φ del platillo (mm) 50 60 80 100 150 180 240 280 340 570

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BOMBAS DE ÉMBOLO

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En las bombas de émbolo el líquido es desalojado de las cámaras de trabajo por el movimiento alternativo de un pistón, accionado por un mecanismo biela manivela, aunque también se pueden utiliza otros mecanismos, como levas, excéntricas, etc.

En las bombas de émbolo más usuales existen válvulas de aspiración y de impulsión que regulan el movimiento del líquido a través de la cámara de trabajo que, mientras se está llenando, la válvula de aspiración permanece abierta y la de impulsión cerrada, invirtiéndose la posición de las válvulas durante el desalojo o impulsión del líquido; estas válvulas sólo se abren por la acción del gradiente de presiones, y se cierran por su propio peso o por la acción de algún mecanismo con muelle.

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Según el número de cámaras de trabajo se dividen en bombas de simple efecto (z = 1) y de doble efecto (z = 2). En la bomba de simple efecto, el líquido se impulsa únicamente durante media vuelta de la manivela, por cuanto, en la segunda media vuelta, el líquido se aspira, existiendo en consecuencia una gran irregularidad en el suministro, Fig 1.

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Fig 1- Esquema de bomba de émbolo de simple efecto

Para la bomba de doble efecto, Fig 2, el suministro durante una vuelta se reduce por dos veces a cero, y también, por dos veces, alcanza el valor máximo, siendo su irregularidad menor que para el caso de simple efecto, pero aún así es demasiado grande, por cuanto la presión del líquido junto al émbolo varía fuertemente debido a la corriente irregular en las tubería

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Fig 2a- Esquema de cuerpo de bomba de émbolo de doble efecto Mg. ARRF

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Fig 2b.- Esquema de cuerpo de bomba de émbolo de doble efecto Mg. ARRF

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Durante el movimiento acelerado del émbolo, y en consecuencia, del líquido en la tubería de aspiración, tiene lugar una caída de presión junto al émbolo que puede provocar cavitación, e incluso, separación del líquido de la superficie del émbolo, consumiéndose una potencia suplementaria en el aumento periódico de las pérdidas de carga por rozamiento del líquido contenido en las tuberías de aspiración e impulsión.

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Las bombas de émbolo pueden crear presiones de miles de atmósferas, siendo de entre todas las bombas existentes, las que poseen mayor impulsión; normalmente funcionan con números de revoluciones bajos, del orden de 300 a 500 rpm, ya que si las revoluciones son más altas, se puede llegar a alterar el funcionamiento normal de las válvulas de aspiración e impulsión, debido a esta marcha lenta, sus dimensiones resultan bastante mayores que las de una bomba centrífuga que funcione en las mismas condiciones de caudal y altura manométrica

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CAUDAL.- Si se supone que la longitud L de la biela es muy grande en comparación con la longitud de la manivela, se puede considerar que la velocidad de desplazamiento del émbolo varía según una ley senoidal en función del ángulo de giro de la manivela ϕ, o del tiempo.

La velocidad instantánea del émbolo sigue una ley senoidal y se define en la forma

dx V = dt

Siendo

dϕ V = r senϕ dt

V = r ω senϕ Mg. ARRF

x = r (1 − cos ϕ )

además

ω=

dϕ dt

V =

π . r. n 30

senϕ 39

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La velocidad instantánea del émbolo se define en la forma

V =

π . r. n 30

senϕ

y dado que (v = 0) para ϕ = 0 y ϕ = π, y existiendo un máximo entre estos valores para ϕ = π/2 resulta:

Vmáx = r ω sen

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π 2

= rω =

π . r. n 30

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Para un recorrido infinitesimal del pistón (dx = dc) se tiene un volumen dV de líquido

dV = Ωdc Siendo dV = Ω. rω senϕ dt dV = Ω. rsenϕ dϕ

dc = vdt = r.ω. senϕ dt además

dϕ ω= dt

y para una revolución del cigüeñal:

π

V = ∫ Ω r senϕ dϕ = 2 Ω r = Ω c 0

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El caudal instantáneo qi no es constante, sino que sigue una ley senoidal, de la forma:

dV qi = = Ω rω senϕ dt Los caudales aspirado e impulsado en la bomba de simple efecto son:

q asp

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Vn Ω c n = = 60 60

q imp

Ωcn = η vol 60

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mientras que para la de doble efecto, Fig 2a:

q asp

Ω c n (Ω − a ) c n 2 Ω − a π cn = + = cn = 2D 2 − d 2 60 60 60 240

q imp

2Ω− a = c nη vol = 0,0131 2 D 2 − d 2 η vol 60

(

(

)

y para la de doble efecto, Fig 2b

q asp = Mg. ARRF

( 2D 240

π cn

2

−d −d 2

*2

) 44

)

siendo: Ω la sección transversal del pistón en m2 c la carrera, en metros a la sección del eje del émbolo n el número de revoluciones por minuto del cigüeñal

no dependiendo de la presión creada por la bomba.

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Si se desea aumentar el caudal, sin modificar excesivamente las dimensiones de la máquina, hay que aumentar n, pero procurando que la velocidad media del émbolo no exceda de 1,5 m/seg. La tendencia actual señala un progreso en el sentido de obtener velocidades medias del émbolo mayores que las indicadas, disminuyendo así las dimensiones y el peso de la bomba. La regulación del caudal se puede hacer modificando el nº de rpm del cigüeñal, o mediante un bypass, haciendo que parte del caudal impulsado vuelva otra vez a la cámara de aspiración. El caudal real q permite obtener rendimientos volumétricos que oscilan entre el 0,85 y el 0,99, siendo mayor en aquellas bombas cuyo émbolo tenga mayor diámetro, y menor cuanto más pequeña sea la viscosidad del líquido. Mg. ARRF

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