universidad nacional de san agustin bomba de ariete presentacion martes

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERA DE PRODUCCIN Y SERVICIOSESCUELA DE INGENIERA MECANICAPROYECTOELABORACIN Y ESTUDIO DE LA BOMBA DE AIRETE EQUIPO DE TRABAJO-Oswaldo-Henry Soria-Gabriel Sana Ayta-Deivi Blancos

Docente:

AREQUIPA-PERJulio-2014

ELABORACIN Y ESTUDIO DE LA BOMBA DE ARIETE

1. JUSTIFICACINEl presente proyecto es una alternativa de solucin con ventajas frente al uso de sistemas y equipos de bombeo ms conocidos como motobombas, electrobombas.Algunas de las ventajas son el bajo costo de elaboracin, operacin. Adems de no contaminar por que no utiliza ningn tipo de combustible que pueda daar el medio ambiente, debido a que se utiliza la fuerza hdrica, por lo tanto nos corresponde a nosotros plantear esta alternativa en usos y necesidades actuales como riego de pequeas parcelas, consumo de agua en zonas donde presentan una geografa accidentada, como sucede en los pueblos jvenes o asentamientos que habitan en la pendiente de los cerros, montaas, etc.2. RESUMEN

3. HIPTESISAl concluir esta investigacin, esperamos poder demostrar, con las variables planteadas en este estudio, la eficiencia de cada uno de los sistemas de ariete hidrulicos as como en casos puntuales sealar que tipo de sistemas necesita ser replanteado para que trabaje con mayor eficiencia.La utilizacin del sistema de bomba de ariete, permita bombear agua, con tan solo utilizar la energa cintica y potencial de una cada de agua constante.Tambin que a corto o mediano plazo, este estudio sea el medio para que otros estudiantes tomen la referencia para mejorar los Arietes Hidrulicos y porqu disear Arietes que presenten mejoras en sus forma, eficiencia y altura de descarga.4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERAL

Evaluar el funcionamiento de la bomba de ariete en condicin de campo para obtener datos tcnicos.

4.2. OBJETIVO ESPECFICO

Aplicar una tecnologa con energa renovable. Estudio del golpe de ariete. Beneficiar al sector agrcola con la aplicacin de esta tecnologa. Eliminar el consumo de energa elctrica para elevar agua a cierta altura.

5. FUNDAMENTO TERICO

5.1. El GOLPE DE ARIETESe denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento lquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubera que conduzca un lquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleracin en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una vlvula en la lnea. Figura N 1Golpe de Ariete.

Al cerrarse repentinamente una vlvula se produce el golpe de ariete.Fuente: http://notaculturaldeldia.blogspot.com/2010/09/golpe-de-ariete-la-onda-de-presion-que.html5.2. BOMBA DE ARIETEUna bomba de ariete es una mquina hidrulica desprovista de motor, capaz de aprovechar la energa potencial que posee una cantidad de fluido gracias a la sobrepresin producida por el fenmeno del golpe de ariete, para elevar una parte de ese fluido a una altura considerablemente mayor.

Figura N 2

5.2.1. PARTES DE LA BOMBA DE ARIETEA continuacin se describir cada una de las partes de la Bomba de ArieteBomba de ArieteFigura N 2

Elaborado: Edwin Ibarra, Christian Muoz, Jos Tenorio.FUENTE: http://disenomecanico.wikispaces.com/BOMBA+DE+ARIETE5.2.1.1. VLVULA DE NR (NO RETORNO).Tambin llamada anti-retorno o check, es una vlvula que slo permite el paso de fluido en un sentido. Esta vlvula comunica la caja de vlvulas con la tubera de elevacin, y su funcin es abrirse slo cuando la presin en la bomba sea grande, de forma que en ese momento el agua se eleve por la tubera de elevacin, pero cerrarse cuando la presin sea inferior en la bomba que en la tubera de elevacin, de forma que el agua no pueda volver aguas arriba de la vlvula.Figura N 3Vlvula Check

Elaborado: Tubo Cobre S.A.Fuente: http://www.tubocobre.net/prod_valvulas.html

5.2.1.2. VLVULA DE CHOQUE.Tambin llamada vlvula check de fondo, esta vlvula comunicar el resto de la bomba de ariete con el exterior, y su funcin ser dejar salir el agua al exterior durante unos instantes, de forma que la columna de agua se vaya acelerando a lo largo de toda la tubera de alimentacin, y pasados estos instantes, cerrarse lo ms rpidamente posible para detener el fluido de golpe y dar lugar a una fuerte sobrepresin.Figura N 4Vlvula check de fondo

Fuente: La casa del acueductoElaborado: http://lacasadelacueducto.com/site/index.php/productos/valvulas-varias/2-1-valvula-check-de-fondo-maraca-detail5.2.1.3. CAJA DE VLVULAS.Esta parte de la bomba es la zona de unin de la tubera de alimentacin con las dos vlvulas. En este caso no es una caja propiamente dicha, sino que pueden son varias piezas de unin, en este caso codos de 90 y niples. Figura N 5Caja de Vlvulas

Elaborado: Equipo de TrabajoFuente: Propia5.2.1.4. CMARA DE AIRE O PULMN.Es un pequeo depsito (en nuestro caso, una botella descartable) que debe haber inmediatamente despus de la vlvula check, y antes de la tubera de elevacin, que contendr un colchn de aire. Este aire tendr la funcin de absorber de forma continuada los golpes y las sobrepresiones a las que se ver sometido en instantes puntuales, y de liberar esa energa progresivamente durante el resto del ciclo al fluido, el cual se ver ayudado a ser impulsado por la tubera de elevacin. Es una forma de amortiguar los golpes y de proporcionar un caudal de salida ms constante.Figura N 6Camar de aire

Elaborado: El equipo de trabajoFuente: Propia5.2.1.5. VLVULA GLOBO.Permite el ingreso y salida del agua a la Bomba de Ariete

5.2.2. PARTE DE LA INSTALACIN DE LA BOBA DE ARIETEA continuacin el esquema de la instalacin de la bomba de Ariete. Se explicaran cada uno de los componentes de dicha instalacin.

Figura N 7

Elaborado: Pablo CaveroFuente: http://es.slideshare.net/rcavero/bomba-de-ariete-pablo-cavero5.2.2.1. Fuente de alimentacin Fuente continua de agua, que normalmente ser un ro al que le ser devuelta unos metros ms abajo el agua descargada por la bomba de ariete. Tambin puede tratarse de un depsito suficientemente grande, normalmente fabricado de plstico u hormign. Esta fuente tendr que proporcionar agua a una altura H por encima del nivel al que se encuentre la bomba de ariete.Figura N 8

(a) Fuente esttica de agua. (b)Fuente continua de aguaElaborado: Equipo de trabajoFuente: Propia5.2.2.1.1. Fuente ContinuaSegn la pgina del Ministerio de Agricultura y Riego podemos decir lo siguiente acerca de la cuenca del ro Chili:Polticamente, se encuentra en el Dpto. de Arequipa, abarcando las Provincias de Arequipa, Caylloma y Caman.

El rea de la cuenca, hasta su desembocadura en el Ocano Pacfico y sin incluir la sub cuenca del Ro Siguas, es de 12,542 km2. Sus altitudes varan de 0 a 6,056 msnm.A continuacin se proporcionan los caudales obtenidos por el Ingeniero Miguel Fernndez Mares.Tabla 1: Caudales obtenidos de la Cuenca del ro Chili

Elaborado: Ingeniero Miguel Fernndez Mares.Fuente: http://es.slideshare.net/ciimsa/estudio-hidrologico-del-sistema-chili-regulado5.2.2.2. Tubera de alimentacin Tubera larga y rgida que une el depsito de alimentacin con la bomba de ariete. Por esta tubera el fluido se va acelerando para llegar a la bomba de ariete con cierta velocidad. Por esta tubera se propagarn adems varias ondas de choque, por lo que ha de ser resistente y debe estar bien fijada. Es aconsejable que tenga la menor cantidad de codos, estrechamientos e imperfecciones posibles. Conviene tambin que disponga de un filtro en el extremo de la fuente de alimentacin, para impedir que posibles partculas de determinado tamao pasen por ella y puedan llegar a la bomba de ariete.5.2.2.3. Tubera de salida o de elevacinTubera ms estrecha que la de alimentacin, por la que el agua se elevar hasta la altura deseada, h. No se ver sometida a incrementos demasiado bruscos de presin, por lo que el material ms comnmente utilizado es el plstico. Alturas frecuentes de elevacin son en torno a 4 o 6 veces la altura de alimentacin (H).

5.2.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOEn primer lugar, encontrndose la vlvula de choque abierta, comienza a bajar agua desde el depsito de alimentacin por la tubera de alimentacin, hasta que llega a la caja de vlvulas y sale por la vlvula de choque:Figura N 9El agua sale al exterior por la vlvula de choque.

Fuente: Estudio Terico y Experimental de la Bomba de ArieteAutor: Francisco Javier Acitores MartnezA medida que se acelera el agua, aumenta la fuerza de arrastre que sta ejerce sobre la clapeta de la vlvula de choque, hasta que es suficiente para cerrarla de golpe:Figura N 10La fuerza de arrastre del agua provoca que la vlvula de choque se cierre de golpe.

Fuente: Estudio Terico y Experimental de la Bomba de ArieteAutor: Francisco Javier Acitores Martnez

Al cerrarse bruscamente la vlvula de choque, la columna de agua que se traslada por la tubera de alimentacin an posee una gran energa cintica. Esta energa cintica se disipa a costa de aumentar repentinamente la presin en la caja de vlvulas:Figura N 11Se produce un golpe de ariete y aumenta mucho la presin del fluido.


Al tener la caja de vlvulas una gran presin, permite la apertura de la vlvula de NR y el paso de agua desde la caja de vlvulas hacia la cmara de aire y a travs de la tubera de elevacin:Figura N 12:La vlvula de NR se abre y permite el paso de agua hacia el pulmn y la tubera de elevacin.


Cuando se igualan las presiones a uno y otro lado de la vlvula de NR, sta se cierra cortando el paso del fluido, y la presin que se ha acumulado en el aire de la cmara es transmitida al fluido, que es elevado por la tubera de salida o de elevacin:Figura N 13Se cierra la vlvula de choque y se va liberando la presin almacenada en el pulmn.


Pasados unos instantes, la presin en la caja de vlvulas sigue disminuyendo, hasta que la clapeta de la vlvula de choque se abre debido a su propio peso, y comienza a salir de nuevo agua por ella:Figura N 14La vlvula de choque se abre y comienza de nuevo todo el proceso.


Es as que llega al principio del proceso, repitindose nuevamente lo explicado.5.3. ECUACIONES RELACIONADAS A LA BOMBA DE ARIETE

5.3.1. CAUDALEs el volumen por unidad de tiempo:

5.3.2. ECUACIN DE BERNOULLILos fluidos, en su desplazamiento por una tubera, poseen una energa total, que se descompone en tres diferentes: -Energa potencial: La debida a la altura geodsica de la partcula de fluido o altitud respecto de un plano horizontal cualquiera.-Energa debida a la presin del fluido, llamada altura de presin.-Energa cintica debida a la velocidad del fluido, llamada altura de velocidad.Entonces la energa del fluido es la siguiente:

La ecuacin de Bernoulli solo se cumple de nuestra fuente hasta el ingreso de la cmara de vlvulas, ya que despus se transforma en una forma de energa compleja, adems se reduce en el mismo fluido.Este es el caso ideal, pero sabemos que hay prdidas por la rugosidad de las tuberas y adems se

Energaformula

De Flujo(p1 p2)/

Potencialz1 z2

Trabajo negativok

Cintica(V22 V12)/2g

SobrepresinH

5.4. TRANSITORIOSAl cerrarse rpidamente una vlvula en la tubera durante el escurrimiento, el flujo a travs de la vlvula se reduce, lo cual incrementa la carga del lado aguas arriba de la vlvula, inicindose un pulso de alta presin que se propaga en la direccin contraria a la del escurrimiento. Esta onda provoca sobrepresiones y depresiones las cuales deforman las tuberas y eventualmente la destruyen. Transitorio producido por el golpe de ArieteFigura N 15

Elaborado: Antonio Manuel Romero, Paloma Arru.Fuente: Clculo de instalaciones hidrosanitariasDesde el punto de vista energtico puede considerarse la transformacin de la energa cintica del fluido en energa potencial elstica (cambios de presin) y viceversa. Si la tubera carece de roce y es indeformable y por lo tanto no hay prdidas de energa, el fenmeno se reproduce indefinidamente. Si hay roce y la tubera es elstica parte de la energa se va perdiendo y las sobrepresiones son cada vez menores hasta que el fenmeno se extingue.A continuacin presentaremos ecuaciones que nos ayudaran a encontrar esta sobrepresin producida por el transitorio.5.4.1. CeleridadLa celeridad es la velocidad de propagacin de la onda, la cual puede ser calculada por la frmula:

Donde: C= Celeridad de la onda; m/sD= Dimetro de los tubos; mE= Espesor de los tubos; mK= Coeficiente funcin del mdulo de elasticidad () del material constitutivo de la tubera (Ver Anexo)

5.4.2. Velocidad de Rgimen del agua (V)La velocidad de circulacin del agua a presin dentro de las conducciones se puede determinar utilizando frmulas empricas de prdida de carga donde se relaciona la velocidad, el dimetro interior y la prdida de carga unitaria de las tuberas.

5.4.3. Tiempo de cierre de la vlvulaSe define el tiempo (T) como el intervalo entre el inicio y el trmino se la maniobra, sea cierre o apertura, total o parcial, ya que durante este tiempo se produce la modificacin del rgimen de movimiento del fluido. El tiempo de cierre de una vlvula puede medirse con un cronmetro, es un tiempo fsico.

5.4.4. CLCULO DE LA SOBREPRESIN PRODUCIDA POR EL GOLPE DE ARIETE. FRMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVI. Una vez conocido el valor del tiempo T y determinado el caso en el que nos encontramos (cierre lento o cierre rpido), el clculo del golpe de ariete se realizar de la forma siguiente:a) Cierre lento. Con un tiempo de cierre lento, la mxima sobrepresin (H) se calcula mediante la frmula de Michaud

Siendo:H: Sobrepresin debida al golpe de ariete (mca)L: Longitud de la tubera (m)v: Velocidad de rgimen del agua (m/s)T: Tiempo de parada o de cierre, segn el caso (s)g: 9.81 m/s2b) Cierre rpido.La mxima sobrepresin se calcula mediante la frmula de Allievi

Siendo:H: Sobrepresin debida al golpe de ariete (mca)c: Celeridad (m/s)v: Velocidad de rgimen del agua (m/s)g: 9.81 m/s25.4.5. RENDIMIENTOEl rendimiento representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relacin con la total canalizada por el ariete y vara en funcin del cociente H/h.6. PROCEDIMIENTO Y ANLISIS

6.1. CONSTRUCCIN DEL EQUIPOSe utiliza cinta tefln para que no haya fugas de agua.Figura N 16

6.2. PRUEBAS DE CAMPOSe hicieron pruebas tanto para una fuente esttico como para una fuente dinmica. 6.2.1. PRUEBA PARA UN FUENTE DINMICA.La prueba se realiz en sector de Chilina. PASO 1: Se instal una tubera de 6 metros en la admisin del Ariete. Para la salida se instal una manguera de 5 m.

PASO 2. Se coloco una botella tipo campana al final de la tubera de admisin para que capte mayor volumen de agua. Se bajo al ro para hacer la prueba. PASO 3. Se trato de mantener una diferencia de altura mxima entre la bomba de ariete y la admisin que se hallaba algunos metros ro arriba. Con esto se termina la experiencia.

6.2.2. PRUEBA PARA UNA FUENTE ESTTICA.

PASO 1: Llenamos nuestro primer deposito con un determinado caudal de agua lo suficiente para que esta pueda tener un adecuado funcionamiento. Inmediatamente despus lo ubicamos a una cierta altura (esta altura se denominara altura de carga) con el fin de aprovechar esta misma ya que permitir la cada del flujo de agua.

PAS 2: En este paso nuestra manguera de 9 metros nos ser muy til ya que servir como va de conduccin para el agua desde nuestro depsito inicial hasta la bomba de ariete cabe mencionar que sus extremos deben estar bien asegurados ya sea con seguros o abrazaderas para descartar alguna fuga de agua.

PASO 3: Se ubica la manguera de salida a una altura correspondiente.

PASO 4: Seguidamente se conectara la manguera a la bomba de ariete. Se abrirn las vlvulas de admisin y la de salida. Se toman los datos correspondientes y con esto concluye la prueba.

6.3. RESULTADOS

6.3.1. PRUEBA DINMICA.

Manguera de admisin: 6 m Manguera de salida 5 m Diferencia de altura salida Bomba Extremo de manguera de admisin: 50 cmLamentablemente no se obtuvo mas datos debido a que no haba presin, por tanto que no se elev agua por la manguera de salida. 6.3.2. PRUEBA ESTTICA.Se obtuvieron los siguientes datos.Longitud y altura de las tuberasManguera de admisin9 m

Manguera de salida 5m

Altura de la fuente con respecto a la bomba1,10 m

Altura de la bomba respecto a la fuente1,80 m

La manguera de admisin lleno un depsito de Volumen=1000 ml, para lo cual requiri un tiempo especfico de :Volumen(ml)Tiempo(s)

1000 6,16

10006,14

1000 6,15

Promedio10006,15

De la frmula (I), y sabiendo que 1ml es igual a

La manguera de salida lleno un depsito de Volumen=100 ml a cierta altura h, para lo cual requiri un tiempo especfico de:Altura (m)Volumen (ml)Tiempo promedio(s)

1,810013,1

1,610011,6

1,41009,6

1,21007,8

Del cuadro anterior y utilizando la frmula (I) para halla el caudal, se puede escribir:

Altura (m)Caudal (m3/s)

1,8

1,6

1,4

1,2

Hallamos la velocidad de rgimen de agua de la frmula (V), si el dimetro de la tubera es 0,0127

Ahora hallamos la celeridad de acuerdo a la frmula (III) y con ayuda del Anexo

Por lo que ya se puede calcular la sobrepresin de acuerdo a la frmula (VII)

7. COSTO DE LA BOMBA DE ARIETE.A continuacin se presenta la lista del costo para ejecutar el proyecto.

MATERIALESCOSTO POR UNIDADCOSTO TOTAL

MEDIDA

1 VALVULA DE FONDO O DE PIE1/2 PULGADA20.00 S/.20.00 S/

9 NIPLES1 PULGADA(2 DE )1.00 S/.9.00 S/.

2 TES1/2 PULGADA1.50 S/.3.00 S/.

1 CODO1/2 PULGADA1.00 S/.1.00 S/.

1 UNION1/2 PULGADA1.00 S/.1.00 S/.

DOS LLAVES DE ESFERA1, 1/2 PULGADAS5.00 S/.10.00 S/.

VALVULA DE CHECK O DE PASO1/2 PULGADA12.00 S/.12.00 S/.

2 MANGUERAS5 METROS1.00 S/.14.00 S/.

9 METROS

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BOTELLA DESCARTABLE

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DOS DEPSITOS DE AGUA

70.00 S/

8. SUGERENCIASSe debe considerar el diseo de la bomba de ariete hidrulico de acuerdo a determinados factores como el caudal de llegada, considerando que el caudal sea constante y por lo tanto la altura final de llegada, sabiendo que a mayor altura disminuir el caudal considerablemente haciendo el sistema menos productivo.Se debe tener en cuenta que no hayan perdidas de energa en los elementos como uniones, te, adaptadores, checks, tubera de descarga.Las instalaciones hay que proyectarlas de forma que puedan soportar el golpe de ariete que se pueda producir, a fin de seleccionar el material y espesor de la tubera para resistir los esfuerzos.La tubera debe carecer de tensiones residuales que puedan afectar el comportamiento elstico del material.La temperatura de los materiales y del fluido se debe mantener constantes durante todo el ensayo.Es necesario contar con una cada de fluido inicial que se denomina altura de carga.Los sobrantes del fluido que salen por el embolo de la vlvula check de fondo pueden ser de vueltos al depsito de donde se extrae el lquido o bien utilizarlo para otras actividades.

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