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Bomba de ariete nuevos modelos - Pablo Cavero

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Se presentan los nuevos modelos matematicos de las bombas de ariete

Se presentan los nuevos modelos matematicos de las bombas de ariete

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  • 1. BOMBA DE ARIETE HIDRAULICO
  • 2.  Es un recurso de uso casi infinito:en nuestros hogares, campos y fábricas. Captamos su energía mediante la hidroeléctrica, pescamos en ella por deporte y para alimentarnos, usamos su superficie para recreación y para el transporte, sacia nuestra sed, nutre nuestros bosques,y acarrea desperdicios y desechos industriales hasta el mar. El agua es tan vital que puede significar la diferencia entre el bienestar o la crisis económica. Actualmente ya se ha producido crisis energética en los países desarrollados por la falta de agua.
  • 3. Este invento de los hermanosMontgolfier en 1796, fue rescatado enlos años 50 para luego ser olvidado portener una baja eficiencia. Se fabricanmuy poco en Sudamérica. EnInglaterra han mejorado el diseño(DTU).En Chile se hizo un modelo porcomputadora, pero la eficiencia es muybaja (7%).En Perú mediante elsistema de hacer un modelo y trabajarcon datos reales, y resolver como sifuera un problema de flujo en tuberíasde Fe. y P.V.C , se están diseñando yfabricando nuevos modelos maseficientes (60%),para bajar costos yponerlos al alcance del agricultor.Modelos desde 1”,1 ½”, 2½ ”, 3,4, 6 Bomba de ariete Nº1pulgadas de diámetro, con el empleode conexiones de tuberías para facilitarsu construcción y mantenimiento.
  • 4.  Se requiere un desnivel constante de agua mínimo de 0.3 metros de altura; el agua proveniente de un río, canal o estanque debe ser sedimentada y filtrada para mejorar su calidad y evitar que se obstruyan las válvulas. Cuando no hay caída de agua se puede usar una tubería, tal que en una distancia razonable podamos obtener un desnivel superior a 0.3 metros. En ese punto se puede colocar una chimenea o hacer un reservorio para instalar la tubería motriz Considerando una pendiente de 1%, es posible obtener un metro de desnivel en 100 metros de distancia tal como se explica en el gráfico. En el caso de un canal o acequia profunda se puede colocar una compuerta para elevar el agua hasta una altura donde pueda accionar la bomba de ariete . Se debe instalar un sistema de rebose para la seguridad del sistema de riego.
  • 5. Bomba de ariete Nº 2
  • 6. Esquema de funcionamiento de la bomba de ariete 6 55 1 1 2 2 4 43
  • 7.  Según la ecuación de Bernoulli, la suma de la presión, velocidad y altura es una constante. El agua desciende por la tubería de alimentación (1) con energía cinética, alcanza su velocidad máxima, y cierra la válvula de impulso (2). Esta detención origina un aumento brusco o golpe de presión. Aparecen fuerzas de sentido opuesto. Por un lado se abre la válvula check de descarga (4) y parte del agua comprime el aire de la Cámara.(5) Cuando se acaba la energía se cierra la válvula de descarga (4), el aire de la cámara(5) se descomprime elevando el agua por la tubería de bombeo.(6) Por otro lado el retroceso del agua de la tubería (1) ocasiona una succión en la válvula de aspiración (3) que renueva el aire de la cámara (5), y por la Bomba de ariete Nº3 pérdida de presión se produce la apertura de la válvula de impulso (2) para repetir el ciclo.
  • 8.  Las bombas de ariete nos permiten accionar aspersores o elevar agua a tanques, colinas, andenes, riego de chacras, abrevaderos de animales, piscigranjas, etc. a una altura de 20 a 30 veces la altura de alimentación del agua. Se pueden instalar en serie o en paralelo. Cuando se instalan en paralelo, se puede utilizar una sola tubería de descarga. Banco de Ariete.
  • 9.  No requiere electricidad, combustible ni mano de obra para su funcionamiento. Todo el equipo es de bajo costo, las piezas se encuentran en el mercado local. Los modelos con conexiones, de tuberías son re potenciables. El mantenimiento es mínimo y su reparación se hace en cualquier taller de gasfitería. Funciona automáticamente con nivel constante de agua. Suministra agua enriquecida con oxígeno. Con una manguera de PVC acciona un aspersor. Bomba de ariete con micro aspersores
  • 10. Modelo de bomba de Ariete Nº 1 para laboratorio Fabricada en PVC y Fe. Altura de presión máxima 60m.c.a Altura de caída 1m. Diámetro de tubería de impulso 1”
  • 11. Bomba de ariete Nº2-2 Bomba de ariete Nº2-2 fabricada con conexionesfabricada con conexiones de tubería galvanizadade tubería galvanizada
  • 12. Bomba de ariete Nº 3-3
  • 13. Bomba de ariete Nº4Construida con cámara de aire dePVC, tubos, accesorios, nipples ydiscos soldables de Fe.Con tubería PVC de clase 10 de4 “de diámetro y una longitud de 12m.Enterrada 50cm de profundidad conchimenea anclada en concreto.Altura de caída 2.5 m.Altura de elevación 20m.Longitud de tubería de bombeo de200 metros.Base de la bomba ancladaen losa de concreto.Acciona un aspersor de ¾” queriega una superficie circular de 22m.de diámetro.
  • 14. RENDIMIENTO DE TUBERÍAS DE ACERO Y PVC
  • 15. Tipos de Instalaciones de arietes
  • 16. Agua para el mundo (traducido por Pablo Cavero La Rosa)Diseño de un Ariete hidráulicoNote No. RWS.4.D.5 Nota Técnica N º RWS.4.D.5 E.E.U.U. AID,1982 Un Ariete hidráulico es un dispositivo que utiliza la energía de la caída de agua para elevar una menor cantidad de agua a una mayor altitud que la fuente.. Ver la figura 1. Hay sólo dos piezas móviles, por lo tanto, hay poco desgaste. Los Arietes hidráulicos son económicos y fáciles de instalar. Pueden construirse con planos detallados y, debidamente instalados darán muchos años de servicio sin costos de bombeo. Por estas razones, el Ariete hidráulico es una solución atractiva donde existe una caída de agua. Un Ariete debe ser considerado cuando hay una fuente que puede proporcionar por lo menos siete veces más agua de la que bombea. El agua debe estar libre de basura y arena. Debe haber un sitio para el Ariete por lo menos 0.5m por debajo de la fuente de agua para ser elevada a un nivel superior al de la fuente. Factores en el Diseño Antes de seleccionar un Ariete, se necesitan algunos datos. Estos se muestran en la Figura 1 y son: 1. La diferencia de altura entre la fuente de agua y el sitio del Ariete (llamado caída vertical). 2. La diferencia de altura entre el sitio del ariete y el tanque de almacenamiento (elevación). 3. La cantidad de flujo disponible de la fuente. 4. La cantidad de agua necesaria (Q) 5. La longitud de tubería entre la fuente y el sitio del ariete (tubería motriz) 6. La longitud de tubería entre el Ariete y el lugar de almacenamiento (Tubería de bombeo)
  • 17. Tabla 1. Datos del rendimiento de un Ariete que recibe un suministro de 1 litro / minuto Litros bombeados en 24 horas Caída de Elevación - Altura vertical del agua sobre el Ariete (m)Trabajo(m)) 5 7.5 10 15 20 30 40 50 60 80 100 125 1.0 144 77 65 33 29 19.5 12.5 1.5 135 96.5 70 54 36 19 15 2.0 220 156 105 79 53 33 25 19.5 12.5 2.5 280 200 125 100 66 40.5 32.5 24 15.5 12 3.0 260 180 130 87 65 51 40 27 17.5 12 3.5 215 150 100 75 60 46 31.5 20 14 4.0 255 173 115 86 69 53 36 23 16 5.0 310 236 155 118 94 71.5 50 36 23 6.0 282 185 140 112 93.5 64.5 47.5 34.5 7.0 216 163 130 109 82 60 48 8.0 187 149 125 94 69 55 9.0 212 168 140 105 84 62 10.0 245 187 156 117 93 69 12.0 295 225 187 140 113 83 14.0 265 218 167 132 97 16.0 250 187 150 110 18.0 280 210 169 124 20.0 237 188 140 Una vez obtenida esta información, se hace un cálculo para ver si la cantidad de agua necesaria puede ser suministrada por un Ariete ,la fórmula es: q = (Q x H x n) / h . Donde: Q = Cantidad de agua suministrada en litros por minuto. q = agua bombeada en litros por minuto. Para litros por día, multiplicar q*por 60min/hora* 24horas/ día. H = La caída o la altura de la fuente por encima del Ariete en metros. n = El rendimiento del Ariete (para modelos de uso comercial 0,66, para domésticos 0,33 si no se indica otra cosa). h = La altura de bombeo por encima del Ariete en metros.
  • 18. La Tabla 1 resuelve esta fórmula para los Arietes con eficiencia de 66 por ciento, un suministro de 1 litro por minuto, y con una caída de trabajo y altura de elevación que se muestra en la tabla. Para suministros mayores que 1 litro / minuto, basta con multiplicar por el número de litros suministrados.ponentes de un Ariete hidráulico Para una instalación se necesita una fuente, una tubería motriz, el Ariete, una tubería de bombeo y por lo general un tanque de almacenamiento. Estos se muestran en la Figura 1. Cada uno de estos componentes se discute a continuación: Suministro. La captación debe ser diseñada para que no ingrese la basura y la arena ya que estos pueden obstruir el Ariete. Si el agua no está libre de estos materiales, instalar un filtro y hacer un sumidero. . Cuando la fuente está muy alejado del sitio del Ariete, la línea de suministro puede ser diseñada para llevar agua hacia la tubería motriz como se muestra en la Figura 2. La línea de suministro, si es necesario, debe ser por lo menos de de un diámetro más grande que la tubería motriz. •Tubería motriz. Debe ser de un material rígido para lograr la máxima eficiencia. Esto es por lo general de fierro galvanizado , aunque otros materiales en el caso de PVC o concreto pueden trabajar en caídas inferiores a 4 metros. Con el fin de reducir la pérdida de carga debido a la fricción, la longitud de la tubería dividida por el diámetro de la tubería debe ser dentro del rango de 150-1000. El cuadro 2 muestra el mínimo y máximo de longitudes de tuberías para diferentes tamaños. Tabla 2. Rango de longitud de tuberías para diversos diámetros Longitud (m) Diámetro de tubería (mm) Mínimo Máximo 13 2 13 20 3 20 25 4 25 30 4.5 30 40 6 40 50 7.5 50 80 12 80 100 15 100
  • 19. El diámetro de la tubería motriz es según el tamaño del Ariete y las recomendaciones del fabricante, como se muestra en la Tabla 3. La longitud es de cuatro a seis veces la caída vertical. Tabla 3. Diámetros de tubería motriz Nº de tamaño según el fabricante Tamaño de Ariete 1 2 3 3.5 4 5 6 Diámetro de tubería (mm) 32 38 51 63.5 76 101 127 Ariete. Los Arietes pueden ser construidos usando válvulas check comerciales o fabricándolas. También están disponibles en diversos tamaños y capacidades de bombeo. Los Arietes se pueden utilizar en paralelo hasta alcanzar el caudal o altura Cada Ariete debe tener su propia tubería motriz, pero todos pueden usar una tubería común de bombeo como se muestra en la Figura 3. Tabla 4. Capacidad de Arietes según el Número o Tamaño Tamaño de Ariete 1 2 3 3.5 4 5X 6X 5Y 6YVolumen de agua requerido (litros / min.) 7-16 12-25 27-55 45-96 68-137 136-270 180-410 136-270 180-410Máxima elevación (m) 150 150 120 120 120 105 105 105
  • 20. En la instalación se debe nivelar y fijar el ariete en una base de concreto, y que las aguas residuales sean drenadas lejos. La bomba no puede funcionar sumergida. Puesto que el Ariete por lo general funciona 24 horas del día, el tamaño se puede determinar para un período de 24 horas. La Tabla 4 muestra diferentes tamaños y capacidades de Ariete. Tubería de bombeo. La tubería de bombeo puede ser de cualquier material que pueda resistir la presión del agua. El tamaño de la tubería puede estimarse usando La tabla 5. Tabla 5. Tamaño de la tubería de bombeo Diámetro de la tubería de bombeo (mm) Caudal (litros / min) 30 6-36 40 37-60 50 61-90 80 91-234 100 235-360 Tanque de almacenamiento. Esta localizado en un nivel donde pueda abastecer los punto de uso. El tamaño se basa en la demanda máxima por día. Selección de un Ariete Una pequeña comunidad de 10 casas con un total de 60 personas. Hay una caída de agua de l0m.en la parte baja del pueblo, que desemboca hacia un cauce que está 15m por debajo de la caída. La caída produce 30.000 litros de agua por día. Hay un lugar para instalar un Ariete cerca del cauce. Este lugar está 5m. más alto que el cauce y a una distancia de 35m de la caída. Se planea construir un tanque público para el pueblo y está a una distancia de 200 m. del sitio del Ariete .La altura de elevación hasta la tapa del tanque de almacenamiento es 23m. Los pasos a seguir para el diseño son los siguientes:
  • 21. Identificar los factores de diseño necesarios: 1. Caída es vertical 10m.2. La elevación hasta la tapa de almacenaje del tanque es de23m . 3. Cantidad de flujo disponible es igual a 30000 litros por día, dividido por 1440 minutos por día (30000/1440) = 20,8 litros /min.4. La cantidad de agua necesaria (asumir 40 litros por día por persona) y como máximo uso es 60 personas x 40 litros por día = 2.400 litros por día. También :2400/1440 = 1,66 litros por minuto (use 2 litros por minuto) 5. La longitud de la tubería motriz es de 35m.6. La longitud de la tubería de bombeo es de 200m.Los datos anteriores sirven para dimensionar el sistema. Usar La Tabla 1, para una caída de 10m y una elevación de80m, solo 117 litros pueden ser bombeados al día por cada litro por minuto suministrado. Puesto que se necesitan 2400 litrospor día, el número de litros por minuto necesarios pueden encontrarse dividiendo 2400 entre 117:2400/117 = 20,5 litros por minuto el suministro necesario.Del ítem 3 arriba, el suministro disponible es de 20,8 litros por minuto, por lo que la fuente es suficiente.La Tabla 3 puede usarse para seleccionar el tamaño de Ariete. El volumen del agua o el suministro es 20,5 litros/min De la Tabla 4, el Ariete N º 2 requiere de 12 a 25 litros por minuto, el A riete N º 2 puede elevar el agua a una altura máxima de 150 metros de acuerdo con la Tabla 4. Es lo adecuado ya que la tapa del tanque está a 23 m. Por lo tanto, se elige un Ariete N º 2 . La Tabla 3 muestra que para un Ariete N º 2 el diámetro de la tubería es de 38mm. La Tabla 2 indica que la la mínima y máxima longitud para una tubería de 40mm (el tamaño aprox. 38mm) es de 6m-40m. Puesto que la caída está a 35m de distancia, la longitud es correcta. La Tabla 5 se puede utilizar para seleccionar una tubería de 30 mm de diámetro que suministra 20,5 litros por minuto.
  • 22. Centrado y ajuste de la válvula de impulso c
  • 23. MANTENIMIENTO: Limpiar el filtro de la tubería de impulso y la cisterna según el grado de contaminación. Si se observa que las algas obstruyen las válvulas, cambiar el filtro de rejilla por uno de acero inoxidable. Limpiar el oxido y pintar la bomba con esmalte por lo menos una vez al año.Si se deterioran los discos de las válvulas, estos se pueden cambiar por otros de neopreno o nitrilo. Puede convenir cambiar la válvula de descarga ya que la venden en el mercado local, pero es necesario modificarla cambiando las partes de plástico por partes metálicasSi cambia el disco de caucho (7), retire el conjunto con una llave inglesa o si se retira la bomba por mantenimiento, el disco sale por el agujero vacío, retirando los pernos de ajuste de la carrera. Si se cambian alguno de los pernos de centrar la válvula o la bomba ha sufrido golpes por el transporte, se procederá a centrar la válvula de la siguiente manera: Después de ensamblar el conjunto, presione el disco contra la base simulando un cierre perfecto. Ajuste las contratuercas (1) y (2) verificando que el eje del disco esté centrado. Ajuste la contratuerca (3) y si es necesario afloje y ajuste la contratuerca (5) dejando un espacio libre de 2cm. para el ajuste de la carrera. Repita los pasos nuevamente si es necesario. Ajuste sólo la tuerca inferior (4) hasta hacer contacto con el soporte, luego ajuste la otra tuerca Accione la válvula manualmente, tirando de la parte superior, al cerrar se sentirá un golpe seco, si se atasca repita los pasos hasta lograrlo. Ajuste la presión del resorte y la carrera hasta lograr un caudal optimo. Nota: La presión del resorte se debe ajustar entre 250,500,750, máximo 1000 gramos donde sea optimo el caudal La carrera de la válvula se ajusta para obtener una eficiencia óptima .
  • 24. Propagación y velocidad de las ondas longitudinales Sea ∆ t el tiempo de Q a C Sea v – u la velocidad reducida - ∆ v ∆vLuego la aceleración negativa será a = - en el intervalo de Q a C. (1) ∆t Fuerza en Q y C para presiones diferentes PC y PQ : F = PC.A – PQ.A = A(PC-PQ) = A ∆ P (2)  ∆v  Por (1) y (2) y 2da. Ley de Newton: F = m.a A ∆ P = m. − ∆t  (3)   El volumen de fluido en un intervalo de tiempo ∆t es: A.v ∆ t, luego la masa es m = ρ . A.v.∆t (4).  ∆v  ∆v(4) en (3) : A.∆P = ρ . A.v.∆t  −  ρ .v = −  ∆t  ∆t 2 ∆P ρv = − (6) ∆v v Luego: el fluido que ocupa un volumen V = A.v.∆t en Q (7) , es comprimido enuna cantidad A( − ∆v ) ∆t = − ∆V al volver hacia C. (8) (8)/ (7) − ∆V = A( − ∆v ) ∆t = − ∆v (9) V Av∆t v ∆V ∆P 2 − ∆P − V∆P(6) en (9): − = ó también: ρ v = = =B (módulo de elasticidad). B es positivo (+), porque un aumento de presión V ρv 2 ∆V ∆V V Bcausa una disminución de volumen. La velocidad de la onda en el medio es: v= ρ Resnick-Halliday
  • 25. Configuración básica de un sistema hidráulicoGrafico de golpe de ariete en tubería de Hnos.Twyman Essel. S.A.
  • 26. Modelamiento de la bomba de Ariete BAH1 Un problema que tiene mas de 200 años
  • 27. Observaciones y consideraciones Caudal de bombeo: q=0.72 litros/minuto. Diámetro de la tubería de alimentación: 26.6mm Caudal de alimentación: Q=10.8 litros/minuto Diámetro de la cámara de aire: 52.5mm. Altura de bombeo: h=8 metros Diámetro de la válvula de impulso: 38 mm. Altura de alimentación: H=1 metro Diámetro de la válvula de bombeo y accesorios: 15.8mm. Eficiencia: n=0.53 Diámetro de la tubería de bombeo: 12.5mm. Caudal bombeado/día =0.72*60*24=1036.8 litros Longitud de la tubería de alimentación= 3m. Temperatura del agua= 15ºC Altura máxima de presión=40 m.c.a Viscosidad del agua = 1 Densidad del agua=999Kg/m 3Los datos para el modelamiento han sido tomados de un modelo propio, los resultados en cuanto a eficiencia Comparados con los modelos brasileños son similares y en algunos casos superioresEsto se hizo para comprobar que este modelamiento puede ser aplicado a otros modelos sin mayor problema.El método empleado consiste en hacer un modelo de bomba de ariete con accesorios de tuberías y después deobtener los datos tabulados de caudales, relación de alturas diferentes de bombeo, presiones, rendimientos, etc., aplicar las ecuaciones de Bernoulli trabajando con estos datos reales, resolviendo como si fuera un problemade flujo en tuberías.Existen muchos modelos que se han fabricado en los cuales se puede aplicar este método. La dificultad estáen las tablas de resistencia de los accesorios de tuberías que no están actualizadas.
  • 28. •1 ) Antes de cerrar la válvula de impulso: Q=l/min. v=m/s 10.8 lit/ minuto =0.8607*104 =0.18lit/s =0.000555716m2 0.028 1.5 1.2) Cargar la bomba cerrando manualmente la válvula de impulso 0.08*4 0.4 0.06 0.41 2.4 10.26 T 16.35 1.5 1 0.08*4 0.4 0.06 0.41 0.9 3.157894 T 7.747894
  • 29. 3) •Cuando se acciona la válvula de impulso: =q/A q=l/min Re 0.03 0.72 =0.0001960667975m2 V3=0.06120363138m/s 0.000012m3/s =0.0966020*104 0.38 0.06 1.2*4 24) •Cuando se abre la válvula de bombeo: T 7.24 12.54 1.2*3 0.9 0.42 0.5 T 17.96 (4)
  • 30. (5) •5) Cuando se cierra la válvula de bombeo: 0.5 0.14 1.2 2.8 T 4.64 (5) 1.2*3 2.5 0.38 .6) =0.09778479704 m/s 1 18.91 T 26.39 V6=q/a q Re V6 0.72lit/min. =0.000122718m20.03 0.000012m3/s =0.1204*104 =19.7 En (5) (5)+ (4):
  • 31. Golpe de Ariete en BAH1 c=velocidad de la onda de presión en m/s k=2.067*109 Pa (compresión del H2O) =997kg/m3 D=diámetro de la tubería: 26.6mm. e= espesor de la tubería: 3mm. E=modulo de elasticidad del PVC: 2.943*10 9Pa.Sobrepresión en metros de columna de agua (m.c.a) C=sujeción de la tubería (1)Presión total: Observaciones y conclusiones - Este modelamiento nos permite apreciar como se producen los cambios en la ecuación de la energía.- Al trabajar con datos reales, los valores de las presiones nos permiten seleccionar mejor los materiales y las tuberías en el caso del PVC tiene una mayor aplicación. - Al aumentar el diámetro de la cámara de aire de la BAH1 se apreció el aumento de la presión y altura del nivel del agua de la cámara. - Al disminuir el tiempo de cierre de las válvulas, el tiempo de la presión máxima del golpe de ariete es mayor y aumenta el caudal bombeado. - El caudal de impulso es menor y como consecuencia se obtienen rendimientos superiores al 60%. - Se ha construido una BAH1 que con 1m. De altura de caída se obtiene una presión máxima de 40m.c.a . En el siguiente ejemplo se verifica que al aumentar el diámetro de la cámara de aire aumenta la presión. Esto se tomará en cuenta en los nuevos diseños de bombas de ariete.
  • 32. 4 ) Cuando se abre la válvula de bombeo 12.54 1.2*3 0.9 1 0.03 T 18.07 (4)5) Cuando se cierra la válvula de bombeo: 0.5 0.03 1.2 2.8 T 4.53 (5)
  • 33. 1.2*3 6) 2.5 0.38 1 18.91 T 26.39 q 0.03 0.1018591636m/s 0.75lit/min =18.91 en (5)(5) + (4) : Flujo de fluidos En válvulas, accesorios y tuberías CRANE
  • 34. Canal Inca para subir el nivel del agua
  • 35. Comentario BAH4 con cámara de 12”Se observa una amplia ventaja en lautilización del ariete como fuente deenergía con respecto a lamotobomba, no sólo económica, sinoque su empleo como fuente deenergía es netamente ecológica al notener que utilizar combustible diesel,ni lubricantes para su combustión.Si se tiene en cuenta el estudiorealizado en 150 lugares conposibilidades de utilizar estatecnología, se ahorraría más de 480* tal año de combustible diesel, con unahorro que permitiría amortizar tresestaciones de bombeo con bomba deAriete.
  • 36. Trabajo de Campo •Ensamblar la bomba de ariete Nº1•Cargar la bomba, abrir la válvula•Accionar la válvula de impulso.•Verificar que el agua sea constante•Medir la presión máxima .•Medir la altura de bombeo•Medir caudal de alimentación•Medir caudal de bombeo•Medir la frecuencia.•Medir la eficiencia de la bomba•Variar la carga:0.5,0.75, 1kg.•Tabular los datos•Observaciones y conclusiones.
  • 37. pablocavero@hotmail.com  534-4579 Cel: 990364126