proyecto de mecanica de fluidos
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8/9/2019 Proyecto de Mecanica de Fluidos
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UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO
ANTUNEZ DE MAYOLO
¨FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL¨
MECANICA DE FLUIDOS
Proyecto de inveti!"ci#n de Mec$nic" de F%&ido
PROFESOR'
Ing. Marco Silva Lindo
PROYECTO'
“Bomba de soga impulsada por el viento o animales de labranza”
ALUMNOS'
("%t")"r *&"+$n, Yessica 091.090.1!
Men" R&i)" Leid# $ng%lica 09!.090.&1'
(r"vo V"%divi"" (imm# )idle# 10!.090.&1
*UARAZ - NOVIEM(RE DEL ./01
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INDICE
Resumen
1. Introducción
2. El problema de investigación3. Objetivos
4. Hipótesis
5. arco teórico
!. etodolog"a
#. Resultados
$. %iscusión
&. 'onclusiones1(. Recomendaciones
Re)erencias bibliogra)"as
*ne+os
1. RESUMEN:
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En el presente pro,ecto se aportó una propuesta para la solución del problema de una
comunidad en la cual se re-uiere un dispositivo -ue pueda elevar el agua de un poo
pro)undo -ue aprovec/e la energ"a del viento , en ocasiones la )uera animal. 0ara lo
cual diseamos un mecanismo -ue utilia la energ"a eólica para despus usarla como
una bomba de agua , as" poder e+traer agua subterrnea.
n e-uipo desarrollado con un poco de ingenio , una simple soga -ue supera en
e)iciencia , sustentabilidad a todos los mecanismos conocidos para el bombeo manual
de agua. 6e trata de una soga con pistones insertados en )orma e-uidistante -ue
impulsada por una polea sube dentro de un cao plstico cu,o e+tremo in)erior est
sumergido en el agua del poo desde donde se bombea. El agua se introduce entre los
pistones de la soga , viaja /acia arriba donde un cao en derivación permite -ue sea
descargada a un tan-ue de almacenamiento. 7a )uera motri es bsicamente /umana
pero la baja potencia re-uerida la /ace apta para otros medios alternativos como
energ"a animal eólica o pe-ueos motores.
7os principales bene)iciarios son personas de bajos ingresos -ue obtienen el agua para
beber , usos sanitarios con balde o bombas -ue deben ser reemplaadas , pe-ueos
agricultores -ue obtienen el agua de poos para riego , bebida de animales.
'onstitu,e una tecnolog"a apropiada para comunidades por su bajo costo sencille
e)iciencia , sobre todo por-ue su )abricación instalación mantenimiento , e+plotación
pueden ser asumidos por las comunidades mediante sus propios recursos.
En este trabajo se apunta a conocer la in)ormación e+istente sobre bombas manuales ,
sobre la bomba de soga en particular. 6e desea ampliar el conocimiento sobre una
instalación completa desde la toma /asta el abastecimiento a un tan-ue de reserva.
'on la construcción de una bomba , )undamentado en la teor"a de anlisis dimensional
se indaga en el diseo , operación de la bomba. 7as conclusiones de este trabajo
permiten e+actitud en el dimensionado para obtener m+imas e)iciencias de acuerdo a
las caracter"sticas del lugar de instalación.
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2. INTRODUCCION:
Este trabajo aporta una propuesta de solución a un problema -ue se nos /a planteado
para e+traer agua del subsuelo utiliando energ"a eólica , la )uera de animales para lo
cual se investigó sobre el bombeo de agua mediante la energia eólica , animal.
8eniendo en cuenta -ue el principal objetivo de este trabajo es el estudio , diseo de un
sistema para bombeo de agua en una ona rural es necesario aprovec/ar los recursos
naturales e+istentes en la ona como la energ"a eólica , la )uera de animales.
7a realidad actual es -ue para lugares aislados normalmente marginados ,
pauperiados cual-uier )uente de energ"a convencional es altamente costosa.
'on la motivación de cumplir con los objetivos , los alcances planteados , con la
satis)acción de poder realiar el desarrollo de un pro,ecto donde se pueda dar respuesta
a la problemtica -ue se nos plantea con relación al suministro de agua , donde el
aporte energtico es a travs de una )uente alternativa o no convencional es -ue se
realió este pro,ecto.
3. PROBLEMA DE INVESTIGACION:
En una comunidad se re-uiere un dispositivo -ue pueda elevar el agua de un poo
pro)undo -ue aprovec/e la energ"a del viento , en ocasiones la )uera animal. En esta
población se usa muc/a la )uera /umana para elevar el agua continuamente restando
energ"as , tiempo para dedicarlas a otras actividades productivas por otro lado se
observa -ue corren )uertes vientos9 por lo -ue se busca aprovec/ar este elemento natural
para e+traer agua de una )uente subterrnea , luego bombearla directamente en los
campos o en los tan-ues de almacenamiento9 adems de -ue sea )actible su
)uncionamiento usando animales de labrana.
:Es posible disear un dispositivo -ue pueda elevar el agua de un poo pro)undo -ue
aprovec/e la energ"a del viento , en ocasiones la )uera animal;
4. OBJETIVOS:
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• %isear un dispositivo para aprovec/ar los )uertes vientos , e+traer agua de una
)uente subterrnea para luego bombearla directamente en los campos o en los
tan-ues de almacenamiento9 adems de -ue sea )actible su )uncionamiento.
• 0roveer con una )uente de in)ormación , demostración para a-uellas personas
interesadas en utiliar la energ"a eólica para bombeo de agua.
5. HIPOTESIS:
• 6i es posible el diseo de una bomba de agua , esa es la
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utilia con aceptación en las ciudades con de)iciente suministro de agua. 7a bomba
de soga sustitu,e la energ"a convencional protege el medio ambiente , contribu,e a
lograr un desarrollo sostenible.
Esta tecnolog"a se conoce seg>n las traducciones en los di)erentes idiomas
occidentales como bomba de cuerda, rope pump, pompe à corde. En *mrica 7atina
se adoptó la palabra cuerda seg>n las tradiciones locales? bomba de mecate en
@icaragua9 bomba de lazo en =uatemala9 bomba de soga en 0er> , 'uba.
7as tecnolog"as precursoras de la bomba de soga son en el sentido cronológico el
cigoñal o shaduf la noria la noria con cadena , la bomba de cadena ABig. 1C.
Fig. 1. Esquemas de bombeo de agua: 1. Shaduf o cigoñal. 2. oria. !. oria con cadena.
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". #omba de cadena. $. #omba de soga.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
7a bomba de soga constitu,e un circuito cerrado entre la )uente de agua , la
super)icie o nivel deseado mediante una soga sin)"n en la -ue se disponen pistones
de goma u otro material a intervalos determinados ABigs. 2 , 3C.
Fig. 2. %iferentes modelos de bombas de soga en su &ersi'n manual .
7a soga asciende por un tubo de subida pasa por una polea motri , baja libre /asta la
)uente de agua. En la parte in)erior se coloca una gu"a -ue )acilita la entrada de la soga ,
los pistones en el tubo de subida.
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Entre los pistones , el dimetro interior del tubo de subida generalmente de 0D'
e+iste una /olgura m"nima para disminuir el desgaste de los pistones , el interior del
tubo el cual es irregular en dimensiones , rugosidad super)icial.
7os pistones se mueven en una sola dirección , cuando llegan arriba el agua bombeada
se desv"a /acia el usuario.
*l accionar la polea motri los pistones -ue ascienden por dentro de la tuber"a empujan
la columna de agua /acia arriba por su parte superior , succionan otra columna de agua
por debajo.
E+isten di)erentes modelos de bombas de soga pero todos tienen el mismo principio de
)uncionamiento.
COMPONENTES DE LA BOMBA
7a bomba de soga /a e+perimentado trans)ormaciones en cada
pa"s por su in/erente capacidad de adaptarse a las posibilidades
tecnológicas , la capacidad productiva de cada lugar. En particular prevemos un diseo -ue integre la )usión de pieas
estandariadas por la industria , el comercio contemporneos
con elementos concebidos en las comunidades a partir de los
procesos de soldadura )undición , otros -ue permitan disminuir
los costos , )acilitar la intercambiabilidad de sus componentes.
@o obstante a continuación se describen las sugerencias msaceptadas en la prctica nacional e internacional.
Estructura o base. 6oporte -ue permite la colocación de la polea
motri con su eje , manivela de )orma tal -ue esta -uede sobre
el poo. 7a estructura puede ser construida de madera o de
per)iles metlicos como platinas angulares cabillas etc. El
diseo var"a en dependencia de las caracter"sticas constructivas
del poo ABig. 2C.
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Polea. 0uede ser construida de madera o de metal revestida de goma o utiliar las
pestaas de neumticos deteriorados. Esta >ltima es la )orma ms usual. 7as pestaas se
unen de )orma invertida mediante grapas a las -ue se van )ijando los ra,os de
alambrón o cabilla , los ra,os se )ijan al centro de la polea ABig. 4C.
Manivela. %e madera o metal se )ija al centro de la polea , a la estructura mediante
bujes o cojinetes -ue permiten la rotación. 7as manivelas pueden ser simples o dobles
en dependencia del es)uero a realiar , siempre en sus e+tremos deben estar provistas
de manillas para no daar al usuario.
Bujes o cojinetes. 0ermiten la rotación de la polea accionada por el usuario mediante la
manivela. 0ueden ser simples tubos )ijos a la estructura o base por los -ue gira el eje de
la polea o sistemas ms complejos como los cojinetes industriales. 0ara mejorar la
)ricción se recomiendan bujes de bronce metalmetal , te)lón. Este >ltimo es un
pol"mero ligero resiste la corrosión , el impacto )unciona como aislante elctrico ,
adicionalmente es )cil de ma-uinar caracter"sticas -ue le con)ieren prioridad a su uso
cuando se decide realiar una producción seriada.
Tubería. El tubo de subida debe ser de 0D' o manguera plstica. El dimetro a utiliar
depende de la pro)undidad del poo , en su ensamblaje deben cumplirse algunos
re-uerimientos bsicos. El e+tremo in)erior del tubo de subida debe tener )orma de
campana -ue permita el paso )luido de la soga , los pistones sin dao para estos
>ltimos.
En caso de utiliar tubos el empalme de la columna debe /acerse por embo-uillado
)ijando cada empalme mediante ligas de cmara de autos o con una goma especial. 6e
recomienda utiliar dos ligas estiradas longitudinalmente para mantener la unióncomprimida. En el e+tremo superior de la tuber"a de subida debe acoplarse un dimetro
ma,or provisto de la cone+ión A8eeC -ue permite el desv"o del agua /asta el recipiente.
'on esto tambin se logra la estabilidad en el )lujo de agua -ue se recibe , se evitan
prdidas por la parte superior. El tubo gu"a utiliado sólo en poos tubulares de
pe-ueos dimetros siempre debe tener ma,or dimetro -ue el de subida pues su
objetivo es guiar la soga , proteger los pistones de las irregularidades de la pared del
poo.
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Pistones. 7os ms recomendables son los de goma pero se utilian tambin de madera
dura plstico , otros materiales. 6u dimetro se determina en dependencia del dimetro
interior de la tuber"a de subida de )orma tal -ue e+ista una /olgura entre ellos para
evitar el atasco total ABig. 5C. 7a durabilidad de este elemento depende de la calidad del
material , de su correcto uso. 7a distancia a -ue van colocados se determina a partir de
la /olgura mencionada o sea mientras ma,or sea la /olgura menor ser la distancia
entre los pistones. 6in embargo la distancia entre pistones ser ma,or en la medida en
-ue aumente la pro)undidad del poo. En ocasiones los pistones construidos de goma o
plstico tienen )orma de campana con su peri)eria )le+ible , un centro r"gido. 7a
distancia entre pistones var"a de (5 a 5 m9 pero com>nmente es de 2 m.
(os e)perimentos realizados con pistones, con l*minas fle)ibles o sin ellas, de di*metros iguales al
di*metro del tubo de subida, muestran que las bombas con l*minas fle)ibles en los pistones bombean
m*s agua con relaci'n a los pistones tradicionales, en reg+menes par*metros similares de las bombas
utilizadas. Fuerzas e-ercidas sobre pistones de diferentes formas: a fuerza de fricci'n del tubo sobre el
pist'n hacia aba-o, b fuerza impulsora de la soga sobre el pist'n hacia arriba.
1. /apa superior. 2. (*mina fle)ible. !. /apa inferior. ". /ubo de subida. $. Soga. 0. asadores.
Guías. 6e constru,en de metal madera dura , de
cermica esmaltada9 esta >ltima es la ms recomendable
para alargar la vida de la soga , los pistones. 7a )orma de
la gu"a puede ser variada. =u"as de pro)undidad. 6u
)unción bsica es guiar la soga , los pistones al girar
/acia arriba adems de permitir la entrada )luida a la
tuber"a de subida. %e esta gu"a pende el contrapeso. =u"a
superior. =eneralmente se utilian rodillos de cermica
esmaltada o aisladores elctricos , su )unción es en elcaso de poos tubulares guiar la soga , los pistones /acia
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la entrada del poo para eliminar )ricciones perjudiciales
Contrapeso. 6u )unción principal es mantener la tuber"a
en una posición lo ms perpendicular posible , puede ser
una piedra un blo-ue alg>n pedao de metal u otro
cuerpo pesado.
Soga. 0re)eriblemente de nailon , su dimetro oscila
entre 5 , 1( mm en dependencia al dimetro del tubo de
subida. En la prctica su vida >til es de 2 aos
apro+imadamente.
Sistema de bloqueo o freno. Este elemento se incorpora para impedir el retroceso de la
polea en sentido contrario al convenido o accionar la polea en sentido opuesto. *s" se
evitan roturas en el e-uipo.
CARACTERISTICAS TECNICAS:
El e-uipo tiene un alto rendimiento , bombea grandes caudales? desde 2 (s a una
pro)undidad de 5 m /asta (2 (s a 4( m A8ab. 1C. 7a bomba permite su utiliación de
)orma intensiva.
/abla 1. %i*metros recomendados de polea tubo de subida.
%imetro del tubo
de subida AmmC12#1&(5 1&(5 3$15($
0ro)undidad
de bombeo AmC154( 515 /asta 5
0aso m+imo
entre pistones AmC3 2 15
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'audal estimado
de bombeo A (sC(2(# (21 12
ientras ma,or sea el dimetro interior del tubo de subida , la velocidad de los
pistones aumente ma,or ser la e)iciencia de la bomba. Otro elemento -ue in)lu,e en la
e)iciencia de la bomba de soga es la /olgura entre el dimetro de los pistones , el
dimetro interior del tubo de subida.
*dems de su )cil construcción operación ,
mantenimiento la bomba de soga se caracteria por
su gran adaptabilidad por-ue puede instalarse en
poos con pro)undidades ma,ores de 4( m permite
bombear agua ms arriba del nivel del suelo , puede
ser accionada manualmente por un malacate
Atracción animalC un motor Aenerg"a elctrica
convencionalC un sencillo molino de viento Aenerg"a
eólicaC o por celdas )otovoltaicas Aenerg"a solarC.
7a e)iciencia de la bomba de soga alcana ms de $(
3 Aprcticamente ms del doble de otras bombas
manualesC , su costo es de 2 a 3 veces menor -ue las
de mbolo. El mantenimiento , la reparación son
sencillos basados )undamentalmente en el cambio de
la soga los pistones , pintura como m"nimo a los
dos aos de e+plotación A8ab. 2C.
/abla 2. 4ida 5til promedio de las principales piezas
componentes de la bomba de soga.
0istones apro+. 1$ meses
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6oga apro+. 24 meses
8uber"as ms de 4$ meses
=u"as ms de 4$ meses
0olea motri ms de 4$ meses
Estructura ms de 4$ meses
INSTALACION
Inicialmente se debe comprobar la limpiea del poo de modo -ue est libre de ra"ces u
otras suciedades -ue puedan obstruir el )uncionamiento de la bomba. 'on posterioridad
se debe determinar el nivel del espejo del agua , la pro)undidad total del poo.
0ara la instalación de la bomba se deben realiar las siguientes acciones?
F Bijar la tuber"a de descarga a la parte superior de la tuber"a de subida.
F Bijar la gu"a de pro)undidad a la parte in)erior de la tuber"a de subida mediante ligas
teniendo en cuenta -ue la parte libre es opuesta a la descarga , -ue es necesario colocar
o con)ormar una campana de entrada.
F Bijar los pistones a la soga a la distancia necesaria mediante nudos. 'uando los
pistones no tienen el mismo dimetro se crea un Gvac"o.
F 0asar la soga con pistones por dentro de la tuber"a de descarga , a travs de la gu"a de
pro)undidad para amarrar los e+tremos en la parte superior. 8ener cuidado para no
colocar los pistones al revs.
F 'olocar contrapeso al )inal del tubo de subida.
F 'olocar la estructura en la parte superior del poo.
F Introducir en el poo la columna de tubos , )ijarla a la estructura.
F 0asar la soga por la polea calcular su tensión , /acer el amarre )inal.
F 'omenar el accionamiento para el bombeo.
MANTENIMIENTO Y REPARACION
7as operaciones de mantenimiento son sencillas?
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F En las primeras semanas de uso puede ser necesario tensar la soga ,a -ue los nudos
tienden a alargarse. 0ara realiar esta operación se deben soltar las puntas , unirlas
luego cuando se /a,a obtenido la tensión necesaria para -ue la soga no patine sobre la
polea.
F 'on cual-uier tipo de aceite se deben engrasar periódicamente los bujes o cojinetes
del eje de la polea , la manivela.
F Es aconsejable revisar con periodicidad la )ijación de la polea a la manivela , a la
estructura.
F 6e debe limpiar , pintar la bomba cada ao para evitar la corrosión.
7as reparaciones ms )recuentes con un intervalo de 1$ a 24 meses son el cambio de
los pistones , la soga A8ab. 2C?
F Es aconsejable cambiar la soga cuando se detecte un desgaste pronunciado. Esta
operación se realia uniendo la soga vieja a otra nueva Asimilar pero sin pistonesC. 'on
esa soga de apo,o se puede introducir otra nueva con pistones.
F 'uando la soga se rompe antes de -uitar la tuber"a del poo se deja bajar una soga de
apo,o con alg>n peso amarrado en uno de sus e+tremos. %espus se -uita la tuber"a del
poo , se introduce la soga nueva con pistones con a,uda de la soga de apo,o.
F 6i el problema radica en la obstrucción de la tuber"a por las suciedades del poo se
debe sacar e intentar su limpiea o sustituirla total o parcialmente.
BOMBA DE SOGA DE TORRE
Esta variante de la bomba de soga permite solucionar el problema de elevar el agua de
)orma manual /acia un nivel superior a la super)icie del poo o )uente de abasto ABig.
&C.
El principio de )uncionamiento es el mismo con la di)erencia de -ue en una torre o
poste se sostiene una polea superior el tubo de subida , la tuber"a de descarga. 7a
)uera motri ,a no se aplica en el punto ms alto sino a la altura del poo con la polea
motri. 7a soga sube por dentro del tubo de subida /asta la parte superior de la torre da
la vuelta en la polea superior -ue gira libremente , desciende para envolver a la polea
motri en apro+imadamente 2#(antes de ser conducida por la gu"a superior /asta el
tubo gu"a para entrar en el poo.
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#omba de soga de torre detalle de la gu+a superior.
'omo torre o poste puede utiliarse cual-uier material -ue soporte el peso de los
componentes , la )uera ejercida para mover la soga.
7a altura de bombeo comprende la suma de las alturas desde la super)icie del suelo
/asta el nivel en -ue se coloca la gu"a de pro)undidad dentro del poo , desde la
super)icie del suelo /asta la tuber"a de descarga -ue tributa al tan-ue elevado donde se
almacena el agua bombeada -ue despus se utilia por gravedad. 'omo esta altura suele
ser ma,or -ue la /abitual en la polea se colocan dos manivelas para ser accionadas por
dos personas , de esa )orma aumentar la potencia de bombeo como en la bomba de
soga para grandes caudales -ue adicionalmente tiene las caracter"sticas de ma,or
dimetro del tubo de subida menores alturas de bombeo , por lo tanto pistones de
ma,or dimetro. 'on este >ltimo modelo pueden alcanarse 2 (s a 1( m de desnivel de
bombeo con la acción de dos /ombres.
BOMBA DE SOGA PARA EL BOMBEO NO VERTICAL
@o siempre la )uente de abasto es un poo. En ocasiones se re-uiere bombear agua
desde un r"o presa canal o ace-uia , en esos casos la bomba de soga se presenta comoun e-uipo di)"cilmente superable por la )acilidad , el bajo costo con -ue se soluciona el
problema.
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el bombeo desde un poo.
MOLINO
El olino es una m-uina -ue trans)orma el viento en energ"a aprovec/able. Esta
energ"a proviene de la acción de la )uera del viento sobre unas aspas oblicuas unidas aun eje com>n. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de ma-uinaria para moler
grano bombear agua o generar electricidad. 'uando el eje se conecta a una carga como
una bomba recibe el nombre de molino de &iento. 6i se usa para producir electricidad se
le denomina generador de turbina de &iento o aerogenerador.
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7. METODOLOGIA:
TIPO Y DISEO DE LA INVESTIGACION:
TIPO.! 0ro,ecto de investigación.
DISEO: E+perimental
POBLACION Y MUESTRA
POBLACI"N: 7a comunidad en mención.
MUESTRA: 7a comunidad en mención.
TECNICAS E INSTRUMENTOST#$%&$'(: basado en registro de investigaciones ,a realiadas
I%()*+,-%)(: internet tesis ,a realiadas sobre el tema conocimientos ad-uiridos en
el curso de ecnica de Bluidos
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/. C0LCULOS
@osotros necesitamos obtener un promedio m"nimo de 5 litrosJmin
de agua para un poo de pro)undidad de 3( metros por lo -ue
establecimos las medidas de los materiales de esta manera?
El diametro de la tuberia de subida5cm
El diam . de los pistones de 4.7cm paraevitar la friccion
La separacion de un piston a otro sera de20cm .
El radio de la rueda con manija serade15cm
El radio inferior para que suba el liquido sera de8cm
La distanciaentre el punto mas alto y mas bajo de la bomba de soga sera de25m.
0ara nuestro molino con viento de 3( KmJ/ genera una velocidad
angular de 1radJs.
w1
×r1=w
2×r
2
1 (30 )=w (15)
w=2 rad /s
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Hallamos el caudal -ue se podr e+traer del poo?Q=V . A
Q=30. π .5
2
4
Q=589.05 cm3
s =0.59
L
s
'alculamos la distancia en promedio de la cuerda -ue
necesitaremos?
Medidacuerda=2√ 25002+7
2+
π 152
2+
π 82
2
Medidacuerda=54.54metros