Ariete hidraúlico
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  • Banco de arietes para elevar agua hacia almacenamiento en cerro de ahí otro banco de ariete donde el desperdicio de los arietes sirve para drenaje y los arietes con agua ta presimentada bombearían libres de sedimentos a filtros lentos y con dosificadores de cloro simples saldría agua potable---CEPIS-WB---es viable? costos de mantenimiento y de energía mínimos---
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  • La fabricación en las Universidades es común(Universidad de San Carlos de Guatemala)--en las U de Panamá ???
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  • 1. Estudiantes: DANIEL MALDONADO GARCÍA JUAN ALBERTO CALERO FABIAN OTALORA Directores: Ing. Nelson Arzola Ing. Edwin Cárdenas Bogotá D.C., junio de 2009 Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS ARIETE HIDRÁULICO
  • 2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN Este proyecto de ingeniería se basa en la necesidad de elevar agua desde una fuente (rio o tanque de almacenamiento) a zonas rurales sin la utilización de energía eléctrica; las bombas hidráulicas de ariete, que funcionan aprovechando la fuerza producida por una caída de agua para elevar parte de la misma a una altura mayor, es la alternativa elegida debido a su simplicidad y bajo costo.
  • 3. El ariete hidráulico fue patentado en 1769 por Joseph Montgolfier, en la era de los grandes inventos como las maquinas a vapor y el motor de combustión interna. Durante los siglos IXX y XX se utilizaron ampliamente, y se han instalado mundialmente para proyectos de irrigación, aldeas, huertos, residencias y palacios. Las bombas de ariete instaladas en la famosa fuente frente al Palacio de TAJ MAHAL, en India, suministra 2,727 m^3/día. Los compradores contemporáneos de la bomba de ariete, por lo general son de agencias benéficas, como la UNICEF y personas trabajadoras en zonas rurales para reducir costos de producción.
  • 4. El agua se acelera a lo largo del tubo de alimentación hasta alcanzar una velocidad suficiente como para que se cierre la válvula de desperdicio. Entonces se crea una fuerte presión, al detenerse el agua bruscamente. Este golpe de presión abre la válvula de alimentación y hace pasar un pequeño chorro de agua a la cámara de aire, hasta que se equilibran las presiones. En ese momento, la gravedad abre la válvula de desperdicio y se cierra la de alimentación, 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. Funcionamiento
  • 5. Valor esperado del proyecto: Marketing: $50.000 Diseño: $100.000 Manufactura: $200.000 Validación prototipo: $50.000 Total: $405.000 Presupuesto destinado: Materiales y manufactura: $200.000 Implementos de experimentación: $20.000 Tiempo de desarrollo: 15 semanas
  • 6. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los sistemas hidráulicos de bombeo de agua son equipos que pueden abastecer de agua a pequeños poblados para el consumo familiar o riego. La fuerza que mueve el equipo de bombeo puede ser un arroyo, un canal u otra forma de agua corriente que pueda suministrar la energía suficiente para bombear agua a alturas. Pensando de esta manera, la principal necesidad es diseñar un sistema ideal para estas zonas rurales cumpliendo eficientemente dicho transporte de agua, teniendo en cuenta requerimientos de la zona como por ejemplo evitar el uso de energía eléctrica o combustibles. Por ello un sistema que utilice los principios del golpe de ariete.
  • 7. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE •Eficiencia. •Facilidad de manejo. •Bajo Desgaste de los componentes. •Garantizar presión constante en la entrega de agua. •Sin uso de energía eléctrica ni combustible. •Soportar cambios climáticos (oxidación y heladas). •Repuestos normalizados (genéricos). •Bajo costo de instalación. •Bajo costo de operación. •Competitividad en el mercado frente a productos que desempeñen la misma función (motobombas) •Fácil mantenimiento. •Operación permanente. •Estética.
  • 8. ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING) Empresa Diametro tuberia de entrada Diametro tuberia de salida Altura mínima de entrada (m) Altura máxima de entrada (m) Altura máxima de salida (m) Caudal de entrada (m^3/min) Caudal de salida (m^3/min) Meribah (PVC) 1" 1/2" 1 3 21 16 3 Meribah (Galvanizado) 1" 1/2" 1 2,5 20 16 3,5 Lidgerwood Industrial 1" 1/2" 1 1 6 15 1,6 Blake 1" 1/2" 1 1 6 15,1 1,2 Rife 2" 2" 1 7,5 75 90 6
  • 9. ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD) • Relación largo-ancho del tubo de salida • Golpes por minuto • Coeficiente de rozamiento de la tubería entrada • Longitud tubería de entrada • Presión en la cámara de aire y cuerpo del ariete. • Caudal de salida • Volumen cámara de aire • Diámetro de la tubería de entrada • Tiempo de ensamble y desensamble • Caudal de entrada • Vida útil de los elementos • Costo de manufactura o piezas • Costo de instalación • Desnivel de trabajo • Altura de elevación
  • 10. DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
  • 11. GENERACIÓN DE CONCEPTOS: Valoración de las alternativas planteadas Alternativa 1 Se presenta una válvula de mariposa, lo que permitiría regular el caudal sin afectar la vida útil de esta, pero no existe esta para conectar a una tubería de 1”, la válvula de alimentación y la válvula de desperdicio se deben construir, lo que significa un gasto mayor en comparación a comprar las partes estandarizadas.
  • 12. Presenta 3 válvulas de desperdicio en serie para aumentar la presión del golpe de ariete, además de tubería galvanizada, estos factores incrementarían el costo del producto, además si se usa este modelo es para alcanzar mayor altura de salida debido a que se presentan 3 golpes en un solo ciclo, su principal dificultad es el costo de los elementos. Alternativa 2
  • 13. Alternativa 3 En esta alternativa ya se tienen elementos normalizados en todo el ariete y de bajo costo relativos a usar acero galvanizado o válvulas que se deban manufacturar, lo que la hace una muy buena opción, la dificultad esta que la válvula de bola no regula caudal, ya que para aumentar su vida útil se debe tener totalmente abierta o totalmente cerrada.
  • 14. Evaluación de conceptos elementos ariete Válvula de entrada Conceptos A B C Criterios de selección de bola de mariposa(Ref) de control Regular caudal 0 0 + Costo + 0 - soportar la intemperie + 0 0 Presion soportada 0 0 + fácil manejo + 0 0 vida util + 0 + mantenimiento + 0 - que no produzca extrangulamiento - 0 + sumar + 5 0 4 sumar 0 2 8 2 sumar - 1 0 2 Puntuacion neta 4 0 2 Continua? si revisar si Válvula de alimentación Conceptos A B C retención retención Criterios de selección cheque de bola (Ref) restringida York soportar golpe de ariete - 0 + Presion soportada - 0 + evitar exesiva resistencia al flujo + 0 0 resistencia a la fatíga 0 0 - vida util 0 0 0 mantenimiento + 0 + que no produzca extrangulamiento - 0 + sumar + 2 0 4 sumar 0 2 7 2 sumar - 3 0 1 Puntuacion neta -1 0 3 Continua? no revisar si
  • 15. Tubería E/S Conceptos A B C PVC PVC Acero Criterios de selección alta presión Sanitaria (Ref) Galvanizado menores perdidas + 0 - soportar heladas 0 0 0 costo + 0 - peso + 0 0 soporta presión - 0 + sumar + 3 0 1 sumar 0 1 6 2 sumar - 1 0 2 Puntuacion neta 2 0 -1 Continua? si no no Válvula de desperdicio Conceptos A B C Válvula Válvula válvula de Criterios de selección Bamford de pie modificada charnela resistencia alta fatiga + + 0 Regulación - + 0 soporte presion + - 0 mantenimiento 0 + 0 costo - + 0 sumar + 2 4 0 sumar 0 1 0 5 sumar - 2 1 0 Puntuacion neta 0 3 0 Continua? revisar Si no
  • 16. PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN Se elige esta alternativa debido a que presenta componentes estándar y además económicos, como por ejemplo el cuerpo y cámara del ariete en PVC que tiene costo menor a la tubería galvanizada. Otro elemento fundamental es la válvula de desperdicio la cual es modificar el funcionamiento de una válvula de pie común, además las uniones son de fácil ensamble para si se necesita realizar limpieza.
  • 17. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO •Tubería de entrada: tubería conduit debido a que la tubería de entrada no va a soportar altas presiones, además de su bajo costo, se encuentra de 1” estandarizado. • Cuerpo del ariete: tubería RDE 13.5 debido a la presión de trabajo que soporta (315 Psi que es mayor a la producida por el golpe de ariete); se encuentra de 1” estandarizado, además de todos sus accesorios para unirlo • Válvula de apertura: válvula de bola en PVC, es de bajo costo y su acople es compatible a la tubería usada • Válvula de alimentación: válvula restringida el flujo en una dirección con retención. • Válvula de desperdicio: válvula de pie modificada con el fin de regular los golpes por minuto. •Tubería de salida: se empleara una manguera de 1/2’’ ya que no requiere soportar altas presiones.
  • 18. Modelo matemático para determinar la presión máxima en el cuerpo del ariete
  • 19. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA Diseño cuerpo ariete Detalle de válvulas Construcción Diseño Ariete
  • 20. El usuario debe verificar que el tanque de almacenamiento este libre de cualquier tipo de residuos sólidos, con el fin de evitar introducirlos a la tubería del ariete. Se debe instalar la manguera de salida hasta el lugar que se desea transportar el agua, asegurándose que no se presenten dobleces en la manguera, por que en este punto se podría presentar represamiento de agua. Con el fin de conseguir la presión necesaria para empezar el funcionamiento del dispositivo, se recomienda, tener el tanque con un volumen mínimo y con la válvula de bola cerrada. Una vez verificada las condiciones anteriores, se acciona la válvula permitiendo el flujo hacia el ariete. El golpeteo se genera inmediatamente y el ariete empieza a bombear el agua. El dispositivo esta previsto para un continuo funcionamiento. Si se desea regular el ariete existe un dispositivo de control en la válvula de desperdicio, el cual aumenta o disminuye la apertura de la misma, afectando directamente el caudal de salida. Funcionamiento
  • 21. Seguridad El usuario debe evitar fuerzas externas a la cámara de aire, ya que su correcto funcionamiento depende de su posición vertical. Por ningún motivo, la válvula de desperdicio debe ser obstruida, de lo contrario el dispositivo dejara de funcionar. Si se requiere cambiar alguna pieza por mantenimiento, hacerlo con el ariete cerrado, con las válvulas cerradas.
  • 22. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO El diseño cumplió con las expectativas planteadas. Sin embargo, todavía se pueden hacer mejoras al dispositivo, que no se contemplaron en este desarrollo. Si el prototipo fuera a implementarse, se podrían solucionar problemas de abastecimiento en zonas rurales. Es una gran alternativa de bombeo de agua, para el sector agrario a pequeña escala.
  • 23. ANÁLISIS ECONÓMICO COSTOS DE MATERIALES Elemento Valor (pesos) Válvula de pie 30000 Válvula de retención York 13000 Válvula de bola 4000 Tubería RDE 15000 Accesorios RDE 15000 Adaptadores Galvanizados 7000 Manómetros 21000 Manguera (11m) 9000 Soldadura plástica 10000 Total 124000
  • 24. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES •Para el desarrollo de un producto es necesario seguir una metodología coherente y organizada, de esta forma se llegara a mejores resultados. •En la etapa de experimentación, se evidencian algunos aspectos que pudieron llegar a no ser tenidos en cuenta anteriormente, y que modifican lo pensado a futuro en el procedimiento de realización del prototipo a desarrollar. •A la hora de desarrollar un producto se hace necesario el consultar el estado del arte, el cual nos puede dar ideas de funcionamiento y posibles falencias a suplir en el producto en cuestión.
  • 25. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA EMPLEADAS • Válvulas selección, uso y mantenimiento; Richard W. Greene; Editorial Mc Graw Hill. • Valve selection Handbook; R. W. Zappe; Editorial Gulf Professional Publishing, 4ta edición. • Manual del ingeniero Químico; Perry, Robert H; Editorial Mc Graw Hill, tomo 2. • Diseño y desarrollo de nuevos productos enfoque multidisciplinario; Karl T. Ulrich; Mc Graw Hill; tercera edición. •Tuberías Materiales, cálculos hidráulicos, cálculos mecánicos. Jose M. Mayol. Mallorqui; Editores técnicos asociados s. a. 1981 Mayol Mallorqui, José María. Tuberías. • Válvulas, selección y mantenimiento. Richard. W Greene • Streeter. Mecánica de Fluidos; Capitulo 5 Coeficientes de arrastre. • Catalogo Válvula Retención York. • Catalogo Válvula Bola. • Catalogo PAVCO Tuberías Sanitarias y RDE.
  • 26. MUCHAS GRACIAS Daniel Maldonado García dfmaldonadoga@unal.edu.co Fabian Otálora fotalorao@unal.edu.co Juan Calero jacaleroa@unal.edu.co