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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU MANUAL DE CONSTRUCCION Y MANTENIMIENTO

SERIE : "LA CASA ECOLOGICA"

PROLOGO Con este pequeño manual puede usted construir su propia bomba de ariete o seleccionar y adquirir el tamaño óptimo para elevar el agua que necesite según las condiciones geográficas de su terreno.

BOMBAS DE ARIETE

Estamos a su disposición para cualquier tipo de consultas y esperamos sus comentarios para mejorar la calidad de nuestros productos. Ing. Miguel Hadzich AGRADECIMIENTOS    

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A la PUCP por confiar en el GRUPO y en mí. A Luz Aranda y a Alexander Giano por retomar esta iniciativa olvidada y ayudar con sus conocimientos. A Eli por el tipeo, Caterina y Víctor por sus dibujos, Pedro por la recopilación de información. A mi mujer e hijos por su paciencia.

CAPITULO V -

Costos

INDICE Pág. INTRODUCCION CAPITULO VI CAPITULO I -

-

Bombas de Ariete para la Agricultura

Instalación y mantenimiento Causas de un funcionamiento defectuoso

CAPITULO II

CAPITULO VII

-

CONSTRUCCION  Generalidades

Usos de la Bomba de Ariete

 Diseño y Construcción de una BAH2

CAPITULO III -

   

Funcionamiento de la Bomba de Ariete

CAPITULO IV -

Componentes Dimensiones Materiales Procesos y operaciones de fabricación

 Proceso de soldadura y armado de las partes

Criterios para la selección Selección práctica de la Bomba de Ariete

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Esperamos ser claros en el contenido de este manual, pero si existe alguna duda comuníquese con nosotros y trataremos de dar respuesta a sus

INTRODUCCION En los próximos años, la falta de energía será cada vez más significativa para los pueblos alejados de las grandes ciudades debido al alto precio de los combustibles fósiles y la falta de conexión a la red interconectada de energía eléctrica. Las zonas rurales serán las más castigadas por ser económicamente no productivas, lo que significa que no tendrán acceso a la red de servicios eléctricos públicos por mucho tiempo (no menos del año 2,025). Pero la necesidad de energía para bombeo de agua existe, pues hay muchas comunidades y pueblos que necesitan agua para consumo humano y animal, así como para riego y otros usos, teniendo el recurso agua discurriendo por la superficie unos metros abajo de ellos; es para estos lugares que sugerimos se usen las bombas de ariete.

inquietudes. Les deseamos éxito en la construcción y puesta en marcha de su bomba. ¡Suerte!

Pero, además de seleccionarla, también puede ser construida por los mismos usuarios, bajando así considerablemente los costos que significan adquirir bombas de ariete de fábrica.

Grupo de Apoyo al Sector Rural PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU Av. Universitaria cuadra 18 s/n San Miguel Lima - Perú Teléfono: 4602870 anexos 285 – 263

En este manual de auto construcción les damos a conocer los criterios técnicos de selección de bombas de ariete y las pautas, paso a paso, para construir e instalar una pequeña bomba de ariete BAH11/2.

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Fax : 4602870 anexo 263 [email protected] http://www.pucp.edu.pe/invest/grupo

CAPITULO I Fig. 1.- Motobomba

BOMBAS DE ARIETE PARA LA AGRICULTURA

Fig. 2.- Electrobomba

Ante los altos precios de los hidrocarburos, así como la dificultad de obtener energía eléctrica en el campo, se está generalizando la utilización de equipos que aprovechan fuentes de energía renovables; entre ellos se puede mencionar la bomba de ariete hidráulico.

En la actualidad existen zonas agrícolas que utilizan sistemas de riego empleando bombas hidráulicas, accionadas por motores eléctricos, a gasolina o a petróleo diesel.

Las Bombas de Ariete Hidráulico - (BAH) son máquinas sencillas, que no necesitan ningún tipo de suministro (ni de combustible, ni de energía eléctrica), solo requieren de una caída, y su funcionamiento es completamente automático y continuo, ya que pueden trabajar día y noche ininterrumpidamente. La tecnología explicada es el resultado de investigaciones realizadas desde 1985 a 2000 sobre varios prototipos nacionales construidos por la Pontificia

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Universidad Católica del Perú, los primeros con el auspicio del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONCYTEC) y otros por la misma universidad a través de la Dirección Académica de Investigación - DAI. Como resultado de esta investigación se encuentran equipos en funcionamiento en distintos lugares de nuestro país y el extranjero.

significa una bomba de ariete hidráulico con 2" de diámetro en la tubería de alimentación, la BAH10 tendrá 10", la BAH4 tendrá 4", etc.. (Ver Capítulo VIII, Dimensiones) Fig. 3.- Nomenclatura de las Bombas

Esperamos que el presente manual constituya un aporte al desarrollo tecnológico y económico de nuestro país, al proponer una alternativa de solución a los problemas de abastecimiento de agua en zonas agrícolas, objetivo fundamental que motiva nuestro trabajo.

Fig. 4.- BAH1!/2

Fig. 5.- BAH10

Nomenclatura Las bombas de ariete están normalizadas para su identificación en relación al diámetro en pulgadas de la tubería de alimentación, por ejemplo BAH2

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CAPITULO II USOS DE LA BOMBA DE ARIETE Dada su seguridad, simplicidad y economía, las Bombas de Ariete Hidráulico (BAH) son de uso frecuente en pequeñas poblaciones que requieren de agua y en aquellos lugares cercanos a los ríos donde se dispone de manantiales y saltos de agua. Sus aplicaciones varían conforme a las instalaciones individuales, siendo las más frecuentes:

Fig. 6.- Bomba de Ariete BAH1!/2 (Modelo Económico)

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*

Provisión de agua a casas y pequeñas poblaciones.

*

Elevación de agua a casas con niveles mayores a un piso y edificios.

*

Bebederos de ganado.

*

Riego.

*

Prevención de sequías.

*

Criaderos de peces.

*

Lombricultura.

Puede ser utilizada también para el desarrollo combinado de un conjunto de variantes de bombeo y generación hidroeléctrica. Fig. 8.- Antes de la instalación de la bomba Fig. 9.- Después de la instalación Fig. 7.- Esquema de instalación típica Como las bombas de ariete son máquinas que no paran nunca se puede utilizar el agua que se bombea durante la noche para abastecer una pequeña central hidroeléctrica (micro o pico - central). Además se pueden adaptar fácilmente a las condiciones geomorfológicas e hidrológicas del Perú, permitiendo el bombeo de agua de las partes bajas de los valles, hacia las partes altas de los mismos. Las aguas a bombearse no requieren de características especiales: se ha llegado a comprobar experimentalmente que aún con aguas servidas, el

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funcionamiento de la bomba no sufre una baja significativa en su rendimiento. Sin embargo, se recomienda construir pozas de arenado para evitar el desgaste prematuro de las válvulas y la acumulación de sedimentos en la base del cuerpo de la bomba.

de las bombas, puede utilizarse una Batería de Arietes, es decir arietes en paralelo, (cada una con su propia tubería de alimentación) que bombeen a una sola tubería de descarga. La disposición de una batería de arietes también puede emplearse cuando el caudal de la fuente varía entre límites muy amplios (según sea época de lluvias o estiaje), permitiendo que la instalación funcione parcial o totalmente. De igual manera pueden utilizarse bombas en serie para elevar el agua a alturas mayores que la máxima que pueda alcanzar una sola bomba.

Fig. 10.- La arena se acumula aquí Si se desea bombear mayor cantidad de agua de la que proporciona la mayor

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CONDICIONES DE OPERACION Para el funcionamiento adecuado de la Bomba de Ariete su instalación requiere de una serie de detalles y normas que deben tenerse muy en cuenta, para eliminar las posibilidades de un incorrecto o deficiente funcionamiento. Existen dos condiciones mínimas y necesarias que tiene que reunir toda instalación para asegurar el funcionamiento de la bomba, estas son: la altura y el caudal de alimentación. a) Altura de Alimentación (H)

Fig. 11.- Batería de Arietes

Fig.12.- Condiciones de operación

Es la caída aprovechable para accionar la válvula que produce el golpe de

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ariete en la bomba; ésta no deberá ser inferior a 1 metro.

BOMBA

El rango de alturas H varía comúnmente de 1 a 30 metros, debido a que para caídas mayores de 30 m el funcionamiento de la bomba es muy inestable. Para aprovechar al máximo esta altura, se puede "enterrar" el cuerpo de la bomba hasta el nivel de la base de la válvula de derrame.

Para determinar el tamaño, peso y costo óptimo de una bomba de ariete (y por lo tanto la de mejor rendimiento para las condiciones requeridas por el usuario) es necesario contar con un mínimo de datos. Estos son los siguientes:

b)

(H)

Altura de caída máxima que se puede lograr (m).

Es el caudal que proviene desde la fuente de alimentación hasta la bomba a través de la tubería de alimentación. El caudal mínimo necesario que debe proveer la fuente para que un ariete funcione será de 5 l/min (0,3 m3/hr).

(q)

Cantidad de agua que se desea bombear (l/s).

(h)

Altura a la que se desea bombear el agua (m).

El caudal mínimo necesario para bombas de dimensiones mayores a 2" se calcula según la fórmula presentada en el Capítulo IV.

(Q)

Disponibilidad de agua en el río, acequia, etc. (l/s).

(l)

Distancia a la que se desea bombear el agua (m).

Caudal de alimentación (Q):

Nota: Si se desea medir rápidamente los valores de los caudales (Q, q) y alturas (H, h) se pueden utilizar los métodos que se explican en los siguientes libros:

CAPITULO III DATOS MÍNIMOS NECESARIOS PARA LA SELECCIÓN DE UNA

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lo tanto, se trata de crear golpes de ariete para que, con la presión elevada que se obtiene, la bomba sea capaz de bombear un caudal de agua "q" hacia alturas de descarga "h", mayores que la altura de alimentación "H", tal como se indica en la figura 13.

COMO FUNCIONA LA BOMBA DE ARIETE La bomba de ariete hidráulica, es una máquina que, empleando la presión dinámica del agua que circula bajo una pequeña caída, impulsa parte de ésta a una altura superior a la inicial.

El sistema de bombeo con este tipo de bomba consiste en una tubería de alimentación AB, que define la nomenclatura de la bomba, (figura 14a), conectada en su extremo superior con la fuente de alimentación o depósito principal, y por el inferior con una caja de válvulas E, que posee dos válvulas automáticas, la de derrame C, que se abre hacia abajo y la de descarga G que se abre hacia arriba. Sobre esta última existe un acumulador F, a cuyo pie va unida la tubería de descarga. El agua proveniente de la fuente de alimentación penetra por B, a la caja de válvulas E y la llena, permaneciendo cerradas las válvulas C y G; la válvula de derrame C queda cerrada por efecto de la presión del agua (debido a la altura H), y la válvula de descarga G se mantiene cerrada por la presión de descarga (debido a la altura "h"). Si se abre la válvula C, el agua llega alrededor del disco de la misma y se derrama por ella. El agua empieza a acelerarse haciendo que la presión dinámica aumente rápidamente hasta un punto tal que la válvula empiece a cerrarse. La fuerza es proporcional al cuadrado de la velocidad: F= Kc2 En este momento la válvula de derrame se cierra casi instantáneamente (figura 14b), y durante el resto del ciclo se mantiene cerrada por la presión en la caja de válvulas.

Fig. 13.- Diagrama de instalación

El principio de funcionamiento se basa en el "golpe de ariete", que es un fenómeno que ocurre al producirse el cierre instantáneo de una válvula. Por

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14d).

Fig. 15.- Fenómeno del golpe de ariete Fig. 14.-

La agua sigue fluyendo dentro del acumulador hasta que la mayor presión existente reduzca a cero la velocidad, entonces la válvula G se cierra aprisionando el volumen de agua que penetró y que, por efecto de la elasticidad del aire, es impulsada a través de la tubería de descarga D hacia el reservorio (figura 14e). Cerrada la válvula G, la depresión oscilatoria (velocidad negativa) del golpe de ariete hace descender la válvula C, completándose así el ciclo (figura 14f).

Funcionamiento de una bomba de ariete.

Pero como el agua que proviene de la tubería de alimentación tiene una velocidad considerable, se produce una percusión o "golpe de ariete" (efecto producido por el cierre brusco de una válvula en una tubería por donde circula un fluido a velocidad) que origina una alta presión sobre el disco de la válvula para producirse un alivio al abrirse la válvula, de descarga G (figura 14c), la cual permite salir una cierta cantidad de agua que penetra en el acumulador F donde comprime el aire existente en su interior (figura

La automatización del aparato se logra después de accionar varias veces la

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válvula C, moviendo su vástago. Para interrumpir la marcha del ariete es suficiente mantener cerrada dicha válvula durante algunos instantes. El aire del acumulador que permite elevar el agua y regularizar su velocidad en la tubería de descarga, se va disolviendo en el agua, y para evitar que, por su desaparición, el ariete deje de funcionar, es necesario renovarlo con el fin de mantener un cierto volumen; esto se consigue mediante válvulas apropiadas llamadas válvulas de aire. La cantidad de aire disminuye pues se disuelve en el agua, por eso colocamos la "válvula de aire" que introduce burbujas de aire constantemente.

Fig. 16.- Funcionamiento de la válvula de aire

En la figura 17 se aprecia la válvula de derrame de una bomba de 10" de diámetro en pleno funcionamiento, utilizada para el regadío de 10 hectáreas de un terreno para el cultivo de frutas y hortalizas en la localidad de Huacho (1990)

Fig.17.- Bomba de Ariete BAH 10 en funcionamiento en Huacho (1990)

La fotografía ha captado el instante preciso en que la válvula de derrame está en proceso de cierre, produciendo el golpe de ariete que elevará parte de esta agua.

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Fig. 18.- Bomba BAH10 en Villa el Salvador bombeando aguas servidas (1987)

CAPITULO IV

En la figura 18 se muestra una vista similar en otra bomba, bombeando jojoba, alfalfa, maíz, etc. (1987)

CRITERIOS PARA LA SELECCION Si desea bombear cierta cantidad de agua "q" (l/s), hasta una altura determinada "h" (m) y dispone de una caída de agua "H" (m) la selección de la bomba de ariete adecuada se hace de la siguiente manera: -

Con los valores "h" y "H" se calcula la relación de alturas (h/H) según los datos que posea.

Fig. 19.- Pautas para la selección

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Con los valores de "q" y "h/H", seleccione en la figura 20 el tamaño de la bomba que necesita. Si el punto (q,h/H) se ubica dentro del campo denominado "batería de arietes", divida el caudal "q" entre el menor número entero (2,3...) hasta que el valor "q" se ubique dentro del campo de los arietes normalizados. Este valor del número entero le indicará el número de arietes que se usarán en paralelo.

Q

Cuyo valor deberá ser siempre menor que el valor del caudal que posea el río, acequia, canal, etc.

La bomba de tamaños menores a 4",son construidas con accesorios de tuberías (codos, tees, niples, etc.) con el fin de abaratar los costos.

Donde : Rendimiento de la bomba El valor del rendimiento  se obtiene de la figura 21 con los valores de "h/H".

Fig. 21.- Gráfico para calcular el rendimiento

Fig. 20.- Gráfico para seleccionar el tamaño de la bomba

-

qxh xH

La longitud de la tubería de alimentación (L) dependerá principalmente del valor de la altura de caída "H" y de la topografía del terreno donde se instale la bomba. La longitud de la tubería de alimentación (L) puede variar entre 4 y 10 veces la caída de alimentación (H) y usualmente el valor más utilizado es L=5H. El tamaño del acumulador dependerá principalmente de la altura de

Calcule el mínimo caudal de alimentación "Q" necesaria para el normal funcionamiento de la bomba según la siguiente fórmula:

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h  hn  hf

descarga y de las dimensiones (longitud, diámetro) de la tubería de descarga. Para un cálculo más exacto, seguro y realista, el valor de h real se calcula aumentando la fricción (10% de la longitud l) al valor de la altura neta de bombeo hn.

hf  0.1x(m)

Entonces

EJEMPLO 1 Si tengo una altura de caída H= 5m y un caudal Q de 20 lt/s y deseo bombear hasta una distancia l= 100m y una altura de hn=30m ¿Qué bomba de ariete debo usar y cuánto de agua bombeará? Solución El valor de h se aproxima a h= hn + hf donde saldrá h=30+0,1x100=30+10=40m Calcularemos primero h/H=40/5=8, con este valor nos vamos a la figura 21 y calcularemos el rendimiento

Por lo que el rendimiento es 30% ó 0.30; luego de la fórmula calculamos el caudal

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Luego vamos a la figura 20 y elegimos la BAH8 - Bomba de Ariete de 8" de diámetro

q

xQxH h



0.3x 20 x5  0.75lt . / s  45lt / min. 40 EJEMPLO 2 Luego en la gráfica 21 calculo  según Si quiero bombear q=5lt/min (como un caño de agua) hasta una altura h de 20m y dispongo de una altura H de caída de 2m ¿Qué tamaño de bomba necesito y cuánto caudal de agua Q debo utilizar? Solución Calculamos primero h/H=20/2=10. Con este valor y q=5 lt/min entro a la gráfica 20 y elijo la bomba BAH2

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EJEMPLO 3 Si quiero bombear q= 2 lt/s hasta h=40m y tengo una altura H de 2,5m ¿Qué bomba compraré?

= 25% Y con la fórmula calculo: Solución Con q=2 lt/s= 120 lt/min, y h/H = 40/2,5= 16 Luego en la gráfica 20 (en el campo señalado como Batería de Arietes)

qh 5 x 20 Q   200lt / min  3,33lt / s H 0,25 x 2 ¿Cuál sería el caudal que necesito en el canal o acequia para que funcione la bomba?

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Si elegimos 4 bombas, entonces q= 120/4=30 lt/min, entonces tenemos cuatro bombas BAH8. El número óptimo de bombas a elegir se definirá por el costo de las bombas. Se recomienda utilizar los tamaños de bombas estandarizados.

En la fig. 22 se muestra el corte transversal de una bomba de ariete de 10" de diámetro de tubería de alimentación (BAH10). Se indican sus diferentes partes, como la caja de válvulas o cuerpo de la bomba, válvula de derrame, de descarga, de aire y el acumulador.

q=2 lt/s = 120 lt/min Esto quiere decir que necesitaremos más de una bomba, donde cada una de ellas bombee un caudal similar y que vayan a descargar a una misma tubería de salida. El número de bombas a usar será:

N  deBOMBAS 

qbombeo 120  qcadabomba qbomba

Tanteo: Si elegimos dos bombas cada una debe bombear 120/2=60 lt/min. En la gráfica vemos que sigue diciendo Baterías de Ariete

Entonces elegimos tres bombas, q= 120/3= 40 lt/min y con 40 tenemos una BAH10, es decir que debemos colocar 3 bombas BAH10.

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CAIDA H (m)

CAUDALES MAXIMO DE BOMBEO "q" (1t/min) h (m)

Fig. 22 Corte transversal de una bomba BAH10 Selección Práctica de Bombas de Ariete De esta manera podemos solucionar rápidamente tres tamaños de bombas estandarizadas BAH2, BAH4 y BAH10.

20

BAH2

BAH4

BAH10

1

2 4 8 12 20

15 10 8 5 3

35 30 20 15 10

160 130 90 60 30

2

4 8 12 16 20

15 10 9 8 7

35 30 25 20 15

160 130 110 90 70

4

10 15 20 40

15 10 8 7

35 30 25 15

160 130 120 70

6

15 25 40 60

13 10 9 7

33 30 25 15

155 130 110 70

8

20 35 60 80

17 10 8 7

38 30 20 15

170 130 90 70

10

40 60 80 100

10 9 8 7

30 25 20 15

130 110 90 70

Ejemplo 4 Si tengo una BAH4 y quiero instalarla con una caída de 6 mt para bombear hasta 40 metros ¿Cuánta de agua (q) bombearé?

¿Qué caída de agua H se requiere si se tiene que bombear a una altura "h" de 12 metros un caudal "q" de 9 litros por minuto?

Solución Práctica Solución Práctica 

En la Tabla con H=4 y la columna de BAH4, h=40m, encontramos que q= 25 lt/min será el caudal que bombea.

Buscamos en la columna BAH2 el caudal "q" de 9 lt/min ó mayor, en la columna de altura “h” se va buscando un valor de 12 metros o más; lo cual requiere una altura “H” de 2 metros de caída y un caudal de

La cantidad de agua que se necesita es:

Q = q h / H= 9x12/0,35x2 =-154 lt/min= 2,5 lt/s

Q

El valor de  = 0,35 se saca de la gráfica 21 con h/lt=12/2=6 

qh 25 x 40   520 lt  8,6 lt min s H 0,32 x6

El valor de  = 0,32 sale de la gráfica 21 con

Si deseamos utilizar una BAH4 (más grande y cara), esta bombeará 15 lt/min hasta 12m con una caída de H = 1m, ó 10 lt/min hasta 20m.

h La solución óptima serán los tamaños de bomba mínimos que se acerquen a los valores de los datos, en este caso es preferible una BAH2 o una BAH4 (por costos), pero se elegirá una BAH4 cuando no se pueda tener una altura de caída de 2m sino sólo de 1m.

Ejemplo 5

21

H



40  6,7 6

éste gráfico, es el correspondiente a los costos totales necesarios para irrigar 5 hectáreas de terreno para cultivos de panllevar. Los saldos en las curvas corresponden a los gastos de reparación y mantenimiento.

CAPITULO V COSTOS La figura 23 muestra un análisis comparativo de costos de motobombas (gasolina, petróleo diesel), electrobombas y bombas de ariete.

Se puede observar que, ante los elevados costos de los hidrocarburos el tiempo de recuperación de la inversión de una bomba de ariete es 3 meses en comparación con motobombas a gasolina y 9 meses en comparación con motobombas diesel. Este análisis no incluye el transporte de combustible hasta el lugar de instalación de la bomba. Sobre las electrobombas, también podemos observar que el lapso de recuperación de una bomba de ariete contra una electrobomba es de, aproximadamente 5 años, siempre y cuando se cuente con energía eléctrica disponible (220 V) en el lugar de instalación. Este costo no incluye conexión a la red eléctrica, costo de las líneas de transmisión, ni posibilidad de instalación de un transformador. Tomando en cuenta que con una bomba de ariete no se tiene costo de operación alguno (incluso el lubricante es el agua misma) el ahorro mensual al utilizar una motobomba a gasolina será de US $ 180, de una motobomba a petróleo US $ 55 y de una electrobomba US $ 15, considerando la tarifa eléctrica más baja. El costo correspondiente a la bomba de ariete (según la figura 23) incluye, además del costo de la bomba en sí, el costo de la tubería de alimentación, que en caso de no ser considerada reducirá su costo en un 35% aproximadamente. Con los datos mínimos necesarios para la selección de la bomba óptima estaremos en condiciones de proporcionar el costo real de construcción de una de estas bombas, y si se desea, un análisis del costo total (bomba tuberías, instalación y transporte) debe escribirnos a nuestro correo electrónico [email protected].

Fig. 23.- Comparación de costos de la Bomba de Ariete con otras máquinas similares. Los valores de las curvas trazadas corresponden a los costos totales que incluyen costos de compra, financiamiento, consumo de energía y mantenimiento. El parámetro utilizado para la obtención de las curvas de

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ALGUNOS COSTOS REFERENCIALES

CAPITULO VI INSTALACION Y MANTENIMIENTO

TIPO DE BOMBA

COSTO US$ Operación del Ariete Consideraciones Generales:

BAH2

a) BAH4

BAH10

La cantidad de agua bombeada (q) durante un ciclo puede ser ajustada por la carrera de la válvula y la tensión del resorte. Afinar el ariete con las tuercas de ajuste de carrera (TS) y las tuercas de tensión del resorte (TR) puede parecer complicado, sin embargo, en la práctica se comprueba la sencillez.

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Fig. 24.- Válvula con resorte b)

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Para la misma cantidad de agua bombeada, existen varias posiciones de TS y TR, “q” puede obtenerse con diferentes posiciones TS y TR utilizando diferentes cantidades de agua de alimentación (Q). Cuando esto sucede se debe elegir la menor carrera de la válvula, la menor tensión del resorte y la menor cantidad de agua que se desperdicia por el desagüe.

Regulación del Ariete c)

Si se aumenta el peso de la válvula de derrame, se reducirá la tensión necesaria en el resorte. Esto debe hacerse en el caso de que se tenga un pequeño número de golpes (GPM) o grandes carreras de la válvula, puesto que el resorte puede empezar a distorsionarse cuando la altura de alimentación H sea demasiado alta.

El ariete está regulado para bombear la mayor cantidad de agua posible. La regulación no es dificultosa y se podrá observar que el ariete puede bombear diferentes cantidades de agua dependiendo del montaje de la válvula de derrame.

d) Los resultados de los últimos diseños de las bombas de ariete demuestran que por simplicidad en la construcción, es aconsejable reemplazar el uso del resorte solamente por el de añadir pesos. Esto trae como consecuencia que la regulación de agua bombeada sea solamente por la carrera de la válvula TS.

La cantidad de agua que el ariete bombea y el número de golpes por minuto será medido para diferentes montajes (varían la carrera y la tensión del resorte) y los resultados deberán ser comparados para encontrar la mejor opción para el ariete. La regulación para una BAH11/2 (con resorte) propiamente dicha se hace de la siguiente manera:

En la actualidad se está reemplazando el uso del resorte por el aumento de peso de la válvula con contrapesos necesarios.

Fig. 25.- Válvulas con contrapesos

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a)

b)

Mantenga la válvula de derrame cerrada y ajuste las "tuercas de regulación de carrera" TS hasta tener 10.5 mm de carrera. Esto se puede medir fácilmente si se toma en cuenta que en cada vuelta de la tuerca ésta asciende 1.5 mm debido al paso de los dientes, es decir, darle 7 (siete) vueltas y fijarla con la contratuerca.

Mantenga las "tuercas de regulación de la tensión del resorte" TR en tal posición que estos toquen suavemente el resorte cuando la válvula de derrame se encuentre cerrada. Fije esta posición con la contratuerca.

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c)

Permita el ingreso del agua a la tubería de alimentación abriendo la válvula de compuerta que se encuentra inmediatamente después de la fuente de alimentación. Mantenga la válvula de derrame cerrada hasta que la tubería de alimentación esté llena de agua, entonces suelte la válvula, moviéndola de arriba hacia abajo varias veces. El ariete deberá ahora trabajar automáticamente.

d)

Si la válvula permanece abierta y no puede cerrarse, permitiendo que el agua continúe saliendo, entonces se deberá detener el flujo del agua, disminuir la carrera de la válvula a 9 mm dándole a TS una vuelta completa (se deben hacer pequeñas marcas en las tuercas y en la guía de la válvula para facilitar y hacer más precisa la regulación) y luego regrese al punto c.

pero aumentando el peso de este (similar al ajuste del resorte TR)

e)

f)

g)

CAUSAS DE UN FUNCIONAMIENTO DEFECTUOSO

Cuando la válvula trabaje correctamente, repita los pasos a, b y c para diferentes carreras de la válvula de 9,7,5,6,4.5 y 3 mm, midiendo para cada una de estas posiciones la cantidad de agua que bombea (q) y el número de golpes de la válvula. (GPM)

Sólo hay tres (3) partes móviles en una bomba de ariete hidráulico: - La válvula de derrame. - La válvula de descarga. - La válvula de aire.

Dele 2 vueltas a la tuerca de regulación del resorte. El resorte se estaría comprimiendo 3mm, de este modo se estaría dando una fuerza inicial al resorte. Luego regrese al paso c). Repita este proceso hasta que la tensión del resorte sea tal, que la válvula de derrame no se pueda cerrar debido a la fuerza hidráulica del agua.

Las posibilidades de que alguna de estas partes se malogre, son bastante reducidas. Sin embargo, las posibles causas de fallas y sus respectivas soluciones son las siguientes a) SI LA VÁLVULA DE DERRAME NO TRABAJA

Compare las cantidades bombeadas en todos los procesos efectuados y elija la posición que nos dé la mayor cantidad de agua bombeada. Si las cantidades bombeadas resultasen similares como resultado de diferentes posiciones de la carrera y tensión del resorte, entonces escoja el montaje que tenga menor carrera. Esto significará menor tensión del resorte y por consiguiente menor uso de la válvula. En el caso de usar contrapeso se repite la misma operación

 Verifique la unión del platillo sobre el asiento de la válvula; la válvula no debe tener fugas cuando se mantenga cerrada y no debe rozar con ninguna de las conexiones de tuberías.  Verifique para constatar que no hay desechos o algún tipo de obstrucción en la tubería de alimentación o caja de válvulas.

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Fig. 26.- Fugas en la válvula

Fig. 27.- El agua en la tubería de salida no debe regresar

b) SI LA VÁLVULA DE DESCARGA NO FUNCIONA COMO VÁLVULA CHECK O DE RETENCIÓN Esto se puede observar si en el nivel de agua de la tubería de descarga se producen ondas durante la operación, o cuando este nivel baja y la bomba no está trabajando. Esto se verifica cuando la medida del manómetro empieza a bajar. ¡No debe hacerlo! Se deberá limpiar y verificar su asiento para su posterior uso.

c) SI EL ARIETE TAMBIEN BOMBEA AIRE Verifique la válvula de aire; si el agujero es tan grande que permite la entrada de un gran volumen de aire a la bomba, reduzca el tamaño del agujero de la válvula de aire.

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Verifique que la válvula de aire esté en el lado opuesto al de la tubería de descarga. Caso contrario, el aire será bombeado directamente con el agua hacia la tubería de descarga.

Fig. 28.- Funcionamiento de la válvula de aire

Verifique que el aire no entre al ariete a través de las uniones de los accesorios; las juntas deberán estar muy bien selladas con componentes adecuados para tuberías. (Pintura con waipe es una combinación comúnmente utilizada).

Fig. 29.- Posición de la válvula de aire Verifique que no hayan fugas de aire en el acumulador, debido a una mala unión de los accesorios de las tuberías o de los instrumentos de medición.

e) SI EL FUNCIONAMIENTO DEL ARIETE ES MUY IRREGULAR:

d) SI EL ARIETE BOMBEA CON UN FUERTE SONIDO METALICO

 Verifique las tuercas de regulación de la carrera y tensión del resorte. Verifique que las contratuercas no se encuentren flojas.  Verifique que la contratuerca de sujeción del platillo de la válvula de derrame, esté fuertemente ajustada.  Verifique que la entrada a la tubería de alimentación se encuentre

Verifique que la válvula de aire trabaje permitiendo que ingrese la suficiente cantidad de aire bajo la válvula de descarga; un pequeño chorro de agua saldrá a través de esta válvula durante cada ciclo. Si no hay suficiente cantidad de aire que ingrese al acumulador, aumente el tamaño del agujero.

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totalmente sumergida, de lo contrario el aire entrará a la tubería y perjudicará el rendimiento de la bomba.

Fig. 30.- Las tuercas se aflojan

Fig. 31.- BAH10 bombeando por una tubería de 4" de diámetro. (Huacho – 1990) CAPITULO VII

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CONSTRUCCION El cuerpo de la bomba y la tubería de alimentación son construidas en su totalidad a partir de planchas y ejes de acero para asegurar su resistencia al fenómeno que se producirá dentro de ellas (fatiga debido al golpe de ariete); además, toda la máquina es galvanizada o pintada con pintura anticorrosiva, luego de ello pintada con esmalte marino, para evitar la corrosión, todo ello para asegurar un tiempo de vida de unos 20 años. Sin embargo, la tubería de descarga (por donde fluye el agua impulsada) puede ser de PVC o material similar que pueda soportar la presión de la altura hasta donde se quiera bombear.

GENERALIDADES Una de las características fundamentales de las bombas de ariete hidráulicos es que pueden ser fabricadas íntegramente con materiales producidos en el país, los cuales pueden adquirirse con facilidad en el mercado. Los modelos más pequeños de Bombas de Ariete, de 1 1/2" a 4" de diámetro (diámetro de la tubería de alimentación), utilizan conexiones y accesorios de tuberías para su construcción, lo que hace de éstas las más baratas del medio. La más pequeña, BAH11/2, cuesta alrededor de US $250 en el mercado; si construye su bomba según las indicaciones de este manual su costo será mucho menor.

El peso de una bomba de ariete de 10" (BAH10) es aproximadamente de 400 kg., el de una de 4" (BAH4) es aproximadamente de 80 kg. y el de una de 2" (BAH11/2) tan sólo de 20 kg. Las bombas BAH2 y BAH4 se encuentran en la Casa Ecológica ubicada en el campus de la PUCP como demostración.

Sin embargo, aquellas de mayores dimensiones requieren de materiales y accesorios que deben construirse a medida, sin que ello signifique un aumento considerable en el costo en relación a otras bombas de su clase. La determinación de las dimensiones de una Bomba de Ariete está supeditada a las características topográficas e hidrológicas del lugar donde irá a instalarse. De esta manera se estará seguro de diseñar y construir una máquina de dimensiones óptimas, de más alto rendimiento y menor costo para las condiciones dadas.

El menor costo de esta bomba frente a sus similares construidas en el extranjero, se debe a que estas últimas utilizan básicamente material de fundición y accesorios que las encarecen, sin contar el transporte y los costos de importación.

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA BAH11/2 COMPONENTES

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Un sistema de bombeo por golpe de ariete tiene los siguientes componentes básicos (figura 32): -

Una FUENTE DE ALIMENTACION (Q); embalse o depósito, encargada de suministrar un caudal de agua a la bomba.

-

Una TUBERIA DE ALIMENTACION (A-B); conectada en su extremo superior a la fuente de alimentación.

-

Una CAJA DE VALVULAS (E); conectada al extremo inferior de la tubería de alimentación, contiene dos válvulas automáticas.

-

Una VALVULA DE DERRAME (C), que se abre hacia abajo y que está provista de un resorte helicoidal.

-

Una VALVULA DE DESCARGA (G), que se abre hacia arriba.

-

Un ACUMULADOR (F), ubicado sobre la válvula G.

-

Una TUBERIA DE DESCARGA (D), unida en su parte inferior al acumulador F.

-

Una VALVULA DE AIRE (J), ubicada entre la caja de válvulas E y el acumulador F, pero siempre por debajo de la válvula de descarga.

-

Dispositivos de conexión y sujeción como válvulas, pernos, anclajes y otros.

Fig. 32.- Componentes de una BAH11/2

DIMENSIONES

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MATERIALES Las dimensiones de la bomba de ariete hidráulico están estandarizadas. Se considera en esta estandarización once (11) tamaños de bomba de ariete hidráulico, de los cuales existen cuatro (4) construidas y probadas. La dimensión característica que permite distinguir entre modelos corresponde al diámetro nominal en pulgadas de la tubería de alimentación. La Tabla 1.1. muestra las dimensiones principales correspondientes a 4 de los tamaños estandarizados.

El cuerpo de la bomba de ariete hidráulico BAH11/2, materia de este manual, se construye en su totalidad a partir de tubos, platinas y ejes de acero, asegurándose así resistencia a la fatiga debida al fenómeno del golpe de ariete. Sin embargo, la tubería de descarga, por la que debe fluir el agua impulsada, puede ser de PVC u otro material similar. La Tabla 2.1. muestra los materiales considerados tanto para la tubería de descarga, la tubería de alimentación y el cuerpo de la bomba de ariete hidráulico.

TABLA 1.1 TABLA 1.2 MATERIALES BASICOS PARA LA BOMBA DE ARIETE

DIMENSIONES ESTANDARIZADAS DE LA BOMBAS DE ARIETE (BAH) TAMAÑO DE LA BOMBA Pulg.

BAH 1 1/2 BAH 2 BAH 4 BAH 10

TUBERIA DE ALIMENTACION Pulg.

1 1/2 2 4 10

CUERPO DE LA BOMBA Pulg.

2 3 6 12

COMPONENTES

TUBERIA DE DESCARGA Pulg.

3/4 1 2 4

MATERIAL

1.TUBERIA DE ALIMENTACION

ACERO NEGRO SCH 40 ASTM A120 SCH 80 ASTM A120 ACERO GALV. SCH 40 ASTM A120 SCH 80 ASTM A120

2.CUERPO DE BOMBA

TUBERIA DE ACERO

LA

PLANCHAS Y PLATINAS DE ACERO ESTRUCTURAL Alt. ASTM A 36. Max. Bombeo 3.TUBERIA DE DESCARGA

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PVC CLASE 5 75 PSI 50 m PVC CLASE 7,5 105 PSI 75 m PVC CLASE 10 150 PSI 100m PVC CLASE 15 200 PSI 125m (*)

A continuación se presenta un listado general de items que conforman la bomba. En la figura 33 puede observarse la configuración de la mayor parte de ellas. * Se elegirá la tubería de PVC cuya altura de alimentación h sea menor a estos valores para que la tubería no reviente. Ejemplo: si tengo una h = 80 m. deberé escoger PVC clase 10 que resiste hasta 100 m. porque PVC clase 7.5 sólo tiene capacidad hasta 75 m. y reventará con la presión.

33

S Q

Fig. 33.- Ensamble de la BAH11/2

TABLA 2.2 LISTADO DE ITEMS

1

Arandelas de  3/8" Arandela de  1/4" Perno de  1/4" x 6"

PROCESOS Y OPERACIONES DE FABRICACION CORTE Y MECANIZADO

ITEM A A1 A2 A3 A4 B C D L

CANT 1 1 1 1 2 1 1 1 1

K T W M E I J R U V N O

2 1 1 1 1 1 3 2 1 5 3 1

DESCRIPCION Al observar la lista de items, es fácil advertir que todos éstos pueden adquirirse fácilmente en el mercado, de ahí la simplicidad y economía para la fabricación.

Tubo  2" Std galvanizado (1m) Caja de válvulas hecha a partir de A Acumulador construido a partir de A Injerto para válvula de descarga Injerto para válvula de derrame Cople  2" Niple  3/4" (50 mm) Niple  1/2" (50 mm) Platina 5" x 5" x 3/16" para asiento de válvula de derrame. Platina 35" x 2" x 3/16" para puente de válvula de derrame y base de la bomba Disco de acero  53 mm espesor 3/16 Disco de acero  53 mm espesor 3/16 Perno  3/8" x 7" Niple  2" x 2 1/2" Cople de  1/2" para manómetro o tapón Tapón de  1/2" Tuerca de  1/4" Jebe de  50 mm, espesor 1/4" Resorte Tuercas de  3/8"

a) CUERPO DE LA BOMBA O CAJA DE VALVULAS Se comenzará la construcción con el cuerpo de la bomba, cortando el tubo galvanizado de 2" de diámetro roscado por ambos extremos (Material A: fig. 35) usando un arco de sierra. Para este efecto se sujetará el tubo con ayuda de un tornillo de banco, de preferencia con unos tacos de madera. Ver figura 34.

34

Fig. 34.- Forma de cortar el tubo Fig. 35.- Trazado sobre el tubo de 2" Los tramos a cortar se señalan a continuación: -

Además éste último deberá seccionarse en dos partes con cortes de inclinación de 45 con respecto al eje del tubo, según puede apreciarse en la figura 35. De esta operación resultan los items A3 y A4.

Tramo de 280 mm (para cuerpo de la bomba, con un extremo roscado) Tramo de 600 mm (para el acumulador) Tramo de 120 mm (con el otro extremo roscado)

35

Al ítem denominado A1 se le deberá habilitar dos entradas sobre las cuales unirán los items A3 y A4 mediante soldadura. La ubicación de cada uno de los cortes se muestra en la Fig. 38.

Fig. 36.- Esquema de corte Luego de hacer los cortes deberán esmerilarse y redondearse las aristas resultantes, con el fin de evitar cortaduras. Obsérvese la figura 37.

Fig. 37.- Esmerilando los bordes

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Fig. 39.- Plantilla de corte

Fig. 38.-

Cortes para la caja de válvulas

También puede efectuarse el corte ayudándose con una plantilla, obsérvese la Fig. 39. Esta plantilla es el desarrollo de la intersección de dos cilindros de igual diámetro y eje perpendicular.

37

Finalmente se tienen 4 partes designadas por A1, A3 y A4, obsérvese la figura 40.

Ahora se prosigue con una unión de diámetro 2" (Material B). Esta deberá cortarse exactamente por la mitad. El corte será transversal al eje de la unión. De esta manera se obtendrán dos porciones que se designarán por B1 y B2. Una se soldará al empalme A3 y la otra se unirá con el acumulador, según se indicará en el capítulo del acumulador (ver figuras 33 y 41).

Fig.40.- Ensamble de caja de válvulas Estas partes toman las siguientes denominaciones: A1: A2: A3: A4:

Cuerpo de la bomba. Acumulador Empalme cuerpo de la bomba y válvula de descarga. Empalme cuerpo de la bomba y válvula de derrame. Fig. 41- Unión 2"

38

La platina de 35" x 2" x 3/16" (material K) se cortará en tres partes de la siguiente manera (ver figura 42) Una pieza de 227 mm. de largo (ítem K1). Dos piezas de 320 mm. de largo (items K2 y K3)

Fig. 42.- Marcado de la platina

Las dos platinas designadas como items K2 y K3 serán dobladas, pero antes se les hará unos agujeros de diámetro 10 mm. La forma del doblado así como la posición de los agujeros puede apreciarse en la figura 43. Estas piezas servirán de base para el anclaje de la bomba.

Fig. 43.- Doblado de la platina

Es preferible doblar la plancha en ángulo redondeado para lo cual se colocará un suplemento con arista redondeada como el observado en la figura 44 de esta manera se evita que el material se agriete. NOTA.- Existe otra forma del anclaje y es soldando perfiles L a los costados de la caja de válvulas. Este último sistema es más estable pero

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D) y se fijarán por soldadura.

más costoso.

Los niples de diámetro 3/4" y diámetro 1/2" (material C y material D) deberán tener una longitud de aproximadamente 50 mm (Ver figura 45).

Fig. 44.- Forma de doblar la platina Fig. 45.- Cortes en los niples

b) ACUMULADOR

Para realizar los agujeros en el acumulador (material A2) se recomienda tomar las dimensiones de los diámetros externos de los niples y según estas medidas hacer los agujeros con el taladro (figura 46).

El Acumulador (ítem A2) deberá tener dos agujeros sobre los cuales se alojarán los niples de diámetro 3/4" y diámetro 1/2" (material C y material

40

En caso de no encontrar la broca adecuada podrán hacerlo con soplete para corte, teniendo cuidado que los bordes queden con buen acabado, para lo cual se deberá limar bien.

Fig. 46.- Taladrado de los agujeros

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Las ubicaciones de los agujeros pueden apreciarse en la figura 26. Fig. 47.- Ubicación de los agujeros A uno de los discos que corresponden al material T, se le practicará un agujero en la parte central con un diámetro de 1/2". A esta pieza se le designará por T1 (figura 48)

Fig. 48.- Tapa del acumulador Es conveniente que esta pieza tenga una pequeña concavidad para soportar mejor las altas presiones.

Fig. 49.- Válvula de derrame

c) VALVULA DE DERRAME En la platina de 5" x 5" x 3/16" (material L) se hará un agujero de diámetro 35 mm. (en el centro del cuadrado). Para confeccionar el puente de la válvula de derrame (material K1) se necesitará un martillo y un tornillo de banco, con el ítem K1 posicionado en él (como en la figura 44) se le doblará y dará la forma de "U" con las dimensiones y ángulos que se indican en la figura 50.

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de 160mm, eliminándole la cabeza. Posteriormente en el torno se le realizará una rosca de 30mm de longitud con el paso normalizado para ese mismo diámetro, de esta forma el ítem M quedará según la figura 51.

Fig. 51.- Eje de válvula de derrame

Fig. 50-

Ensamble de válvula de derrame

El material M, perno de diámetro 3/8" x 7", será cortado hasta una longitud

43

Al material W, que es un disco con 53 mm de diámetro, se le hará agujeros en la posición y dimensiones que aparecen en la Fig. 53.

d) VALVULA DE DESCARGA El cuerpo de esta válvula estará conformado por el ítem E (figura 52). Esta pieza deberá contar con un agujero lateral con la finalidad de habilitar la válvula de aire (Material R).

Fig. 52.- Cuerpo de la válvula de descarga Fig. 53.- Agujeros en la válvula de descarga También se hará un pequeño chaflán para facilitar el depósito del material, producto de la soldadura circunferencial a realizarse.

44

c) ACCESORIOS Adicionalmente se deberán fabricar en el torno las piezas de acero que se observan en la figura 33 y cuya utilización se explica más adelante.

PROCESO DE SOLDADURA Y ARMADO DE LAS PARTES En el capítulo anterior se observó el corte y preparado del material, ahora contamos con una serie de piezas identificadas por letras y números (p.e. T1), las cuales se unirán unas con otras por medio de soldadura eléctrica en la mayoría de los casos. Debe observarse que en el caso que los accesorios de tubería usados, estos sean galvanizados, es necesario preparar el material esmerilando la capa de Zinc en las zonas de soldadura para permitir una buena unión. Para la identificación de las piezas y del orden de armado es conveniente observar detenidamente el Ensamble de la Bomba de Ariete que se muestra en la figura y la bomba armada en la fig. 18. Algunas de las piezas que pueden observarse adyacentes, se unirán por medio de soldadura y otras simplemente mediante rosca.

Fig. 54.- Accesorios

a)

CUERPO DE LA BOMBA O CAJA DE VALVULAS

En primer lugar se toma el ítem A1 (cuerpo de la bomba), se nivela y se asegura. Se le une el ítem A3 (sin rosca en la punta), empleando soldadura eléctrica (verificar el alineamiento usando nivel y escuadra) Ver figura 56. Este ítem se colocará cerca del lado roscado del ítem A1. Ver Fig. 40.

45

Fig. 55.- Soldadura autógena

Se toma el ítem B1 (con el ítem E enroscado en él), y se suelda al ítem A3. Obsérvese la figura 56.

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soldadura eléctrica.

Fig. 56.- Ensamble

De la misma manera se hace con el ítem A4 (con rosca en la punta), soldándolo cerca al lado no roscado del ítem A1. Debe hacerse esta operación teniendo enroscado el ítem B (unión de diámetro 2") en el ítem A4 para así colocar encima un nivel y verificar la correcta alineación de los accesorios.

c) VALVULA DE DERRAME

Se suelda el ítem T2 (el otro disco T) al ítem A1 por el lado no roscado (ver Fig. 13). También es recomendable que a este ítem se le practique una concavidad. Se sueldan los apoyos de la Bomba ítem K2 y K3, de tal manera que ésta quede perfectamente alineada y apoyada sobre un mismo plano, obsérvese la figura 33. b) ACUMULADOR Se prosigue con el acumulador (ítem A2). A este deberá unirse por soldadura el ítem B2. Para poder garantizar la verticalidad del conjunto es recomendable enroscar el ítem E al ítem B2 antes de proceder a la soldadura. Se debe tener en cuenta que el ítem A2 se unirá con el B2 de tal manera que el agujero de diámetro 3/4" quede cerca de esta unión. Observe la figura 35. En esta figura puede apreciarse también que los niples de diámetro 3/4" (ítem C), diámetro 1/2" (ítem D); tapa superior del acumulador (ítem T1) junto con la unión de diámetro 1/2" (ítem I), han sido soldados previamente en el acumulador. Todos los procesos anteriores deben realizarse con

47

Fig. 57.- Soldadura de válvula de derrame

d) VALVULA DE DESCARGA

Fig. 58.- Ensamble de la válvula de derrame

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Para armar la válvula de derrame se cuenta con las siguientes piezas: - item M - item U (solo 1) - item V - pieza torneada (Ver fig. 59) - item N (5 tuercas de diámetro 3/8") - item O (3 arandelas de diámetro 3/8") En la figura 37 se puede apreciar el orden de estas piezas y su posición de trabajo. También se puede apreciar el armado de la válvula de descarga con las siguientes piezas: - item U (sólo 1) - item Q - item R (3 tuercas diametro 1/4") - item S - pieza torneada (Fig. 59) En la figura 59 se aprecia la posición de estas piezas. Finalmente, tenemos la bomba de ariete BAH11/2 completamente construida y ensamblada. Si se atreve a construirla, podrá comprobar lo fácil e interesante es. ¡Suerte!

Fig. 59-

Ensamble de la válvula de descarga

c) EMSAMBLE DE VALVULAS

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Cualquier apoyo técnico que necesite o si quiere comprar directamente una bomba ya construida y probada, puede comunicarse con nosotros a: PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU Grupo de Apoyo al Sector Rural Av. Universitaria Cdra. 18 s/n San Miguel, Lima - Perú Correo electrónico: [email protected] Teléfono 4602870 Anexos 285-263 Fax. 4602870 Anexo 263

WEB : http://www.pucp.edu.pe/invest/grupo

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