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ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS

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PROYECTO: “OPTIMIZACIÓN DE UNA BOMBA DE ARIETE UTILIZANDO DOS VÁLVULAS DE DERRAME”

AUTORES

COLLADO FIGUEROA, Edwin Samuel edwincollado33@gmail.comRODRIGUEZ RIVAS, Diego Ivan iv_diego_ro@hotmail.comMONTES ANTAURCO, Robert Lucio robert2787@hotmail.comOLORTEGUI LEON, Tony Teodorico ttolortegui@hotmail.com

ASESOR

PhD. Ormeño Valeriano Miguel Ángel mormeno@conida.gob.pe

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOSFACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS – LIMACiudad Universitaria. Av. Venezuela Cuadra. 34 / Av. Universitaria - Lima 1

Central telefónica: 619-7000; e-mail: rrpp@unmsm.edu.pe

RESUMEN

La bomba de ariete o 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; es utilizada en sectores rurales donde los escasos recursos económicos de los pobladores hacen difícil el acceso a los sistemas de bombeo convencionales, debido al alto costo de funcionamiento de los mismos. El principio de funcionamiento es simple, un flujo de agua atraviesa el cuerpo del mecanismo con una energía cinética suficiente para cerrar una válvula abruptamente, provocando un violento golpe; este golpe produce una sobre presión capaz de elevar una cierta cantidad de agua a una altura considerable, si bien es cierto estos sistemas de bombeo poseen muchas ventajas (son económicos, sostenibles, de fácil diseño e instalación, requieren un mantenimiento mínimo y funcionan las 24 horas del día los 365 días del año), aun así no son muy eficientes, es decir, la cantidad de agua que bombea es poca, en relación a la cantidad de agua que se pierde. En este trabajo se ha optimizado el diseño de una bomba de ariete utilizando dos válvulas de derrame en lugar de una sola, logrando así aumentar considerablemente la altura de elevación del agua y el caudal bombeado, disminuyendo drásticamente la cantidad de agua en pérdida (nótese que al aumentar la cantidad de válvulas, el derrame tendería a aumentar, pero ocurre lo contrario) consiguiendo así un importante incremento en el rendimiento de la bomba.

ABSTRACT

The hidraulic ariete Pump or hidraulic ariete, is a machine which only uses the energy from a litle step off water to elevate part of the caudal to a highest place; is common to use this pump in some rural sectors where the economic resources from the population are lowest, and make a hard the acces to conventionals pumping systems, because the expensive cost from themselves. The principle of function is simple, a fluid of water cross a trough the mecanism with a kinetic energy wich is suficient to close a valve suddenly, this cause a hard stroke which makes an avobepression that can elevate some water volume to a considerable height of elevation, if is certain this pump systems have a lot of vantages (economics, sostenible ways, easy to install, requires a low maintance and works 24 hours/365 days a year), even tought there are very efficients, a mean, the capacity of the elevated water is low comparing with the water lost.This paperwork had optimized the design of an arietes pump,using two leakage valves, making better the height of elevation of water and the pumped caudal, decreasing the leakaged water (note that if there are an increment of valves the leakage of water will tended to increase but ocur the oposit), increase with that way the rendimient of the pump.

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INTRODUCCIÓN

En los países desarrollados, las bombas de ariete son una alternativa de bombeo que ha sido dejada de lado debido a que su rendimiento está muy por debajo del rendimiento de las bombas convencionales, por lo cual el desarrollo de las mismas se ha estancado a pesar que aun siguen siendo una alternativa de bombeo económico para países en vías de desarrollo como el nuestro. Haciendo frente a la necesidad de encontrar una alternativa de bombeo económica, que permita mejorar la calidad de vida de las poblaciones rurales y al mismo tiempo eficaz, se emprendió la búsqueda de un nuevo dispositivo que funcionara bajo el mismo principio, que empleara básicamente las mismas piezas y que mantuviera las mismas ventajas pero introduciendo una variación que permitiera repotenciar la bomba incrementando así su rendimiento. En sí, nuestra bomba consta de una tubería de presión, una válvula de paso, una cámara de compresión, un tubo de elevación y a diferencia del común de las bombas de ariete, un dispositivo que permite la colocación de dos válvulas de derrame, lo que duplica el golpe de ariete y así mismo, incrementar la eficiencia de la misma.

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO

En vista de que la mayor desventaja de estos sistemas de bombeo es el bajo rendimiento de los mismos y que este rendimiento está en función a la sobrepresión producida por las ondas provocadas por el cierre abrupto de la válvula de derrame, hemos considerado que la mejor forma de optimizar este dispositivo es reemplazar dicha válvula, por una instalación de dos válvulas en paralelo con lo que se duplicó la sobrepresión al duplicarse también las ondas producto del cierre simultaneo de dichas válvulas. El diseño y construcción de esta bomba optimizada, mantiene todas las ventajas de los diseños clásicos (son económicas, ecológicas y de diseño e instalación simple) lo que permitirá a los pobladores de las zonas rurales de nuestro país, tener acceso a un sistema de bombeo eficiente y al alcance de sus posibilidades económicas con lo que se espera dar una solución al problema de distribución de agua para riego y consumo directo, mejorando así la calidad de vida de los pobladores de estas zonas.

FORMULACION DE OBJETIVOS

Los objetivos principales trazados al realizar este trabajo son:

Diseñar y construir una bomba de ariete dealto rendimiento.

Brindar una alternativa de bombeo eficiente y al alcance de la economía de los pobladores de las zonas rurales.

Dar una solución al problema de distribución de agua para riego y consumo directo en las zonas rurales.

Contribuir con el desarrollo de tecnología limpia y de impacto ambiental cero.

FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS

El cierre brusco que se produce en la válvula de derrame produce una onda de presión que lleva al fluido, a través de la válvula de paso, hacia la cámara de compresión con la suficiente presión para comprimir el volumen de aire, el cual al descomprimirse impulsa el fluido hacia la tubería de elevación. Las ondas continuas que se producen con cada golpe tienen el efecto de elevar constantemente un caudal determinado. A su vez, los efectos que producen dos válvulas colocadas en paralelo, sincronizadas y de iguales dimensiones generan ondas por separado que al encontrarse posteriormente en un mismo conducto, se convierten en una sola que genera la presión equivalente a dos ondas, duplicando la presión. De esta manera es mayor el caudal que retorna hacia la cámara de compresión, mayor la presión que comprime el aire dentro de esta y mayor también el caudal y la altura de elevación.

El dispositivo que se utilizó para instalar las válvulas en paralelo es el siguiente:

Figura 1: Tubería en forma de “Y” para la instalación de lasVálvulas en paralelo.

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MARCO TEÓRICO

Golpe de ariete

El fenómeno del golpe de ariete, tambiéndenominado transitorio, consiste en la alternanciade depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir, básicamente es una variación de presión, y se puede producir tanto en impulsiones como en abastecimientos por gravedad.

Bomba de ariete o ariete hidráulicoUna bomba de ariete es una bomba cíclica que utiliza la energía potencial de un fluido para subir una parte de ese fluido a un nivel superior. No necesita por lo tanto aporte de otra energía exterior. Esto y su sencillez la hacen adecuada para lugares re remotos o pobres donde no hay acceso a energía eléctrica o motores de otro tipo.

Funcionamiento

El principio de funcionamiento es como sigue. El líquido, normalmente agua, procedente de un depósito suministrador se acelera por un tubo de carga inclinado con lo que su energía potencial se convierte en energía cinética. Cuando la velocidad llega a un valor determinado, la válvula de descarga se cierra súbitamente cortando el flujo lo cual genera una sobrepresión en el extremo inferior del tubo de carga que fuerza el agua a abrir la válvula anti-retorno y a subir por el tubo de descarga hacia el nivel superior del depósito. La válvula de descarga está diseñada de forma que ella sola vuelve a abrir y el ciclo comienza de nuevo, cerrándose cada vez que el flujo adquiere cierto valor. En el nivel superior del depósito se coloca una cámara de compresión llena de un gas a presión, normalmente aire, que amortigua los golpes de ariete y mantiene un flujo de fluido más constante a través de la tubería.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

Rendimiento )(

El rendimiento del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, hemos tomado en consideración que podemos obtener 2 coeficientes de rendimiento, la primera en funcióndel cociente H/h de alturas y el segundo en función de los volúmenes, elevado y de derrame.

Rendimiento de Elevación )( h

El rendimiento de elevación como hemos llamado al cociente de la relación de la altura de alimentación sobre la altura de elevación )/( Hh , del ariete

hidráulico nos representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete.

)1.........(H

hh

En la tabla siguiente puede verse cómo varía elrendimiento de elevación, a medida que se disminuyela altura de alimentación.

1 2 3 4 5 6

Hh / 0.193 0.187 0.179 0.171 0.162 0.151

Tabla 1: Rendimiento de elevación.

Donde:H = altura de elevación.h = altura de alimentación.

Rendimiento Volumétrico )( v

El rendimiento volumétrico como también hemos llamado al cociente de la relación del Volumen de elevación sobre el volumen de alimentación )/( Vv ,

del ariete hidráulico nos da una idea de cómo varia el volumen que se puede bombear en relación al volumen total de la canalizada por el ariete.

)2.........(V

vv

En la tabla siguiente puede verse cómo varía el rendimiento volumétrico, a medida que se disminuye la altura de alimentación.

1 2 3 4 5 6

Vv / 0.094 0.063 0.065 0.058 0.051 0.040

Tabla 2: Rendimiento volumétrico.

Donde:V = Volumen de alimentación.v = Volumen de elevación.

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Caudal de elevación )(q

Depende del caudal de alimentación )(Q , de la altura

de alimentación )(h , de la altura de elevación )(H y

de un coeficiente experimental de elevación )(k . La

ecuación por la que se relacionan es la siguiente:

)3....()..(

H

hQkq

Donde:Q Caudal de alimentación.

H Altura de elevación.h Altura de alimentación.

k Coeficiente experimental de elevación.

Caudal de alimentación (Q)

El ángulo de inclinación del tubo de alimentación )( 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.

min)/(LQ Pulgadas/mm.

30 1 ¼¨/ 3560 1 ½ ¨/ 4190 2 ¨ / 52

120 2 ½ ¨/ 70250 3 ¨/ 80500 5 ¨/ 125100 8 ¨/ 200

Tabla 3: Diámetros de tubería en función al caudal de

alimentación (Q).

BIBLIOGRAFÍA MECÁNICA DE FLUIDOS

Autor: Pedro Fernández Díez. MECÁNICA DE LOS FLUIDOS

Autor: Víctor Streeter. MECÁNICA DE FLUIDOS Y MÁQUINAS

HIDRÁULICASAutor: Claudio Mataix.

http://personales.ya.com/universal/TermoWeb/MecanicaFluidos/PDF