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• jorgerodriguez2008

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Bombeo Golpe Ariete

Funcionamiento

Esquema de funcionamiento de una bomba de agua tipo ariete hidráulico. El funcionamiento del dispositivo es bastante simple: • • • •

El agua se acelera a lo largo del conducto hasta alcanzar una determinada velocidad que hace que se cierre la válvula A; entonces se crea una fuerte presión ejercida por el agua que se encuentra en movimiento y es detenida de golpe; así permite la apertura de la válvula B y pasa agua al depósito hasta que se equilibran las presiones; Se abre la válvula A y el ciclo se repite una y otra vez.

El agua pasa a golpes de ariete al depósito, pero sale de este con continuidad ya que el ariete funciona de uno a dos ciclos por segundo. La cámara de aire del depósito es fundamental para su funcionamiento. Para asegurar la permanencia de esta cámara de aire se usa el inclusor de aire que incorpora una pocas burbujas en cada ciclo.

Inclusor de aire El inclusor de aire es un pequeño orificio de 1,5 a 2 mm de diámetro, con un alambre de cobre que pasa por él con cierta holgura, para permitirle a la cámara de aire tomar alguna burbuja en cada golpe de ariete y mantener la presión en la cámara de aire. Por supuesto, también saldrá una pequeña cantidad de agua en cada golpe de ariete. Pero si no hay cámara de aire que actúe como amortiguadora del golpe de ariete, este mismo rompería el dispositivo y dejaría de funcionar.

Otros requerimientos Para que el ariete hidráulico funcione se necesitan dos cosas: • •

agua en cantidad suficiente para impulsarlo suficiente desnivel de trabajo (el mínimo es 20 cm).

El agua puede proceder de un manantial, arroyo o río y debe ser conducido al ariete hidráulico mediante un conducto (hierro galvanizado, PVC, PPP, etc), cuyo diámetro dependerá del caudal utilizado. La inclinación del tubo debe ser de unos 30º por debajo de la horizontal para un funcionamiento adecuado, aunque podría hacerlo con ángulos menores. El ariete hidráulico funciona entre 60 y 90 golpes por minuto y cuanto más lento sea el funcionamiento, más agua utiliza y bombea. Para que funcione el ariete hidráulico se necesita un salto de agua que varíe entre 0,20 m a 30 m. Cuando el salto de agua sea mayor, el ariete hidráulico va a ser más pequeño y económico y menos cantidad de agua va a requerir para elevar otra cantidad de agua. Con abundante agua y un desnivel de 1,2 m puede llegar a elevarse el agua a 200 m de altura. Tabla 1: Diámetro recomendado en función del caudal de agua disponible.

Caudal de alimentación litros/min del ariete - Q Diámetro

pulgadas

30

60

90

120

250

500

1000

1 1/4

1 1/2

2

2 1/2

3

5

8

recomendable del tubo alimentación

mm

35

41

52

70

80

125

200

Dimensionamiento

Esquema de bomba de agua tipo ariete hidráulico. Las diferentes variables que participan en el funcionamiento del ariete hidráulico, se relacionan de la siguiente forma: Caudal elevado = (2.Q.h) / (3.H) (en litros/minuto) donde: Q : es el caudal de alimentación en litros por minuto h : desnivel de trabajo en metros H : altura de elevación en metros Ejemplo Si el caudal de alimentación es de 300 l/min, el desnivel de trabajo 1 m y la altura de elevación 25 m, el caudal elevado por el ariete hidráulico será:

Caudal elevado = (2 x 300 l/min x 1 m) / (3 x 25 m) = 8 l/min (11520 l/día) Vemos que el rendimiento energético es muy bueno (65 a 80%), y siempre superior a una centrífuga con motor eléctrico, al menos en instalaciones pequeñas.

Recomendaciones para autoconstructores Dado que la presión de funcionamiento en el interior del ariete hidráulico es alta, es conveniente utilizar caños y piezas de hierro galvanizado con juntas muy bien selladas. Esto no implica que no puedan utilizarse materiales plásticos como el polipropileno roscable o termofusionable, fundición de acero o aluminio, plástico reciclado, etc; con las precauciones previstas. Uno de los mejores materiales para las válvulas del ariete hidráulico es el caucho de cámaras de ruedas de camión o tractor desechadas. No es necesario montar el ariete hidráulico en una base de hormigón y se lo puede dejar como bomba portátil para reparaciones, limpieza, etc.

Ajustes El ajuste adecuado se logra mediante el tornillo tensor de la pletina resorte y el de la carrera hasta regular el caudal requerido de trabajo. El único mantenimiento consiste en retirar las hojas u otro material del filtro en la toma de agua y las gomas de las válvulas cuando se gasten o deterioren.

88888888888888888888888888888888888888 http://www.scribd.com/doc/6145668/Que-es-el-Golpede-Ariete

NOTAS SOBRE EL ARIETE HIDRAULICO. (GOLPE DE ARIETE) Investigaciones realizadas por: Prof. Félix E. Díaz (Maestro Sri Deva Fenix) Un dispositivo de bombeo que no contamina. A lo lejos, escondido en un recodo del rió se podía escuchar un golpeteo metálico y regular.

Más de cerca pude observar que hasta el lugar no llegaban postes y cables eléctricos que pudieran suministrar energía al motor, que de forma constante mantenía su actividad, tampoco pude ver la típica nube de humo negro, emitida por un motor de gasoil, ni el olor de la gasolina. Esto me indicaba claramente que no había consumo de combustible. El ruido parecía provenir de un sistema que a un lado del cauce y a un nivel más bajo que éste, impulsaba el agua que había tomado del río por una tubería que ascendía a lo largo de la falda de una loma, hasta un tanque donde caía con un ritmo regular. El sistema en cuestión, que no trabaja con ninguna fuente de energía convencional y sirve para bombear agua, recibe el nombre de ariete hidráulico y en el presente trabajo pretendo hacer una descripción de su funcionamiento, así como de las ventajas que representa el uso de esta tecnología. El ariete hidráulico es una bomba de agua que funciona aprovechando la energía hidráulica, sin requerir ninguna otra energía externa. Mediante un ariete se consigue elevar parte del agua de un río, arroyo o manantial a una altura superior. Es el aumento brusco de la presión de agua que se produce dentro de la tubería. El golpe de ariete hidráulico se produce en la tubería de suministro de agua cuando una válvula o una llave se cierra rápidamente. El agua circulante golpea de forma permanente la válvula cerrada y rebota como una onda. Este rebote continúa hasta que el agua golpea un punto de impacto y la energía proveniente de la onda del agua se distribuye más uniformemente en el sistema de tuberías. El punto de impacto, que puede estar en la conexión entre dos caños o en una junta de un sistema de tuberías, provoca el sonido “estrepitoso” que a veces se oye en los caños. Cabe destacar que muchas válvulas, grifería y accesorios de plomería están diseñados para funcionar y resistir una presión de hasta 150 libras por pulgada cuadrada. Esto brinda un margen de seguridad contra aumentos inesperados de presión ya que 60 libras por pulgada cuadrada es la presión promedio que soporta el sistema de distribución de agua de una ciudad. No obstante, los aumentos bruscos de presión pueden dañar válvulas, grifería y equipos tales como termos y calentadores de gas o eléctricos, tanques y lavavajillas. El daño puede, llegado el caso, provocar pérdidas de agua e incluso fallas en el equipo. Muchos aparatos pueden no estar

diseñados para resistir una alta presión de agua que puede producirse en un aumento brusco de presión. Cada vez que se cierra una llave o un lavavajillas comienza su ciclo de lavado, se produce un aumento brusco de presión dentro de la tubería. ¿Qué son las cámaras de aire? ¿Pueden controlar el golpe de ariete hidráulico? En muchos casos se instala un dispositivo denominado cámara de aire para controlar el golpe de ariete hidráulico. Se trata de un trozo de caño vertical con tapa, lleno de aire e instalado en la tubería. Se supone que el aire amortigua el choque del golpe de ariete. La vida útil de mayoría de las cámaras es breve. No obstante, no existe nada que separe el agua del aire. Llegado el caso, el agua absorbe el aire y la cámara de aire se anega. Por lo general, para que esto ocurra sólo deben transcurrir algunas semanas o meses. Una vez que la cámara de aire se anega, no brinda protección contra el daño producido por el golpe de ariete hidráulico. En el interior de una conducción, cuando una masa líquida comienza a moverse, la velocidad de régimen no se adquiere de manera inmediata, sino que ha de transcurrir un determinado tiempo hasta que este hecho se produce. Ahora bien, cuando esta masa líquida en movimiento se detiene por alguna causa, o simplemente varía su velocidad de desplazamiento, ninguno de estos fenómenos tiene lugar de manera brusca, y de igual manera que en el inicio del movimiento, deberá transcurrir un determinado tiempo hasta que la variación tenga carácter permanente. Un ejemplo de las causas que puede obligar a detenerse o variar la velocidad de la masa de agua puede ser la maniobra de cierre de una válvula. Siendo: P = Valor de la sobrepresión, en m.C.A. v = Velocidad media en la conducción, en m/s. c= Celeridad, en m/s. g = Aceleración debida a la gravedad, en m/s2. Según se ha visto con anterioridad, la sobrepresión se va transmitiendo poco a poco aguas arriba del punto de obturación, hasta un punto de la

conducción en el que exista otra obturación o una presión mayor. Si denominamos L a la longitud de conducto entre los puntos anteriormente mencionados, el tiempo que tarda en desplazarse la sobrepresión entre ambos puntos será: t1 = L / c Donde t1 estará expresado en segundos y L en metros. Ahora bien, el movimiento continuará de nuevo hacia el punto de partida, en sentido contrario, transformándose la sobrepresión en energía cinética, y dejando el punto de obturación (originalmente sobrepresionado), en depresión, con lo que el tiempo completo de un recorrido de la onda será de:

T = (L / c) + (L / c) = 2 · L / c Tiempo que recibe el nombre de período de oscilación. Pues bien, con este período de oscilación se puede determinar si una maniobra es lenta o rápida, de manera que, denominando Tm al tiempo de maniobra, tenemos: T > Tm, para maniobras rápidas, y T < Tm, para maniobras lentas Principio de su funcionamiento El sistema se basa en el fenómeno Físico conocido en la hidráulica como golpe de ariete, el cual se observa cuando se interrumpe el flujo de agua cerrando bruscamente una tubería. La energía cinética, que trae el agua en movimiento, al ser detenida, origina un aumento brusco o golpe de presión. Con el ariete hidráulico se producen continuamente estos golpes en un tubo que se alimenta con agua de una presa, de un río o cualquier desnivel, y se aprovechan los aumentos de presión para mandar una parte del agua que pasa por el tubo a una altura superior. En el esquema se muestran los elementos esenciales para el funcionamiento del ariete hidráulico, que son: •

A)

La presa, un río o cualquier otro medio que permite crear un desnivel en relación con el ariete (generalmente de 0,5 m como mínimo).

B)

C)

D)

El tubo de impulso. Según las reglas convencionales debe tener un largo entre 100 y 500 veces el diámetro del tubo, y un mínimo de 2 y hasta 7 veces la altura de la presa, según el tipo de ariete.• La válvula de impulso (válvula 3) con su cámara, que según las mismasreglas, debe tener como mínimo el doble del diámetro del tubo de impulso. La válvula de retención (válvula 4), la cual generalmente es la mitad del diámetro de la válvula anterior, depende en primer lugar del caudal de bombeo y la frecuencia de los golpes.

E)

Encima de la válvula de retención se encuentra la cámara de aire (5) que debe tener un mínimo de 10 veces el volumen del agua que entra por golpe.

F)

Por último se observa el tubo de bombeo, generalmente de la mitad del diámetro del tubo de impulso, aunque es más lógico determinarlo según el caudal de bombeo, el largo del tubo y la potencia disponible.

Cuando se llena el sistema, la válvula de impulso se cierra por la presión de la carga inicial de la presa y el agua sube a través de la válvula de retención, que se abre por la misma presión, hasta el nivel de la presa por el principio de los vasos comunicantes. Se abre la válvula de impulso manualmente y el agua en el tubo de impulso comienza a acelerarse hasta que tiene suficiente velocidad para cerrar esta válvula. En este momento ocurre el golpe de ariete que produce la apertura de la válvula de retención, permite la descarga de energía del agua en movimiento y la entrada de agua en la cámara de aire, y de ahí en el tubo de bombeo, donde sube el agua a un nivel superior. Al cesar el empuje del agua en el tubo de impulso, se cierra la válvula 2 por la presión que tiene encima. Al repetir algunas veces la apertura manual de la válvula de impulso, la presión en el tubo de bombeo sube tanto que la columna de agua del tubo de impulso sufre una resistencia para entrar en la cámara de aire, y comienza a actuar como un martillo que golpea una superficie dura. Es decir, la columna en el tubo de impulso golpea y “rebota”, o retrocede (por la flexibilidad de los materiales), lo que hace que se produzca un flujo inverso hacia la entrada del tubo de impulso.

En este momento el agua ejerce una succión en el interior del tubo de impulso, por lo cual se abre la válvula de impulso y se reinicia la aceleración de la columna hasta que se cierra la válvula de impulso de nuevo. De esta forma continúa el funcionamiento automáticamente, de día y de noche. El ariete hidráulico puede ser considerado como un motor hidráulico, y en su versión convencional funciona al mismo tiempo como bomba. Para un acercamiento fácil y práctico al cálculo general de este aparato, es más cómodo compararlo con un transformador eléctrico.

Leyenda:

1. Fuente de alimentación 2. Tubería de impulso 3. Válvula de impulso 4. Válvula de retención 5. Cámara de aire 6. Caja de válvulas 7. Tubería de descarga 8. Tanque de abastecimiento Esquema sobre la instalación y el funcionamiento del ariete hidráulico El transformador eléctrico recibe una tensión baja (en voltios) con una corriente eléctrica (en amperes) relativamente alta, y lo transforma en un régimen de mayor tensión y menor intensidad de corriente. Algo similar ocurre a nivel hidráulico en una instalación con un ariete. El aparato

recibe el gran caudal con la carga moderada o baja y lo transforma en un régimen de mayor presión con un menor caudal. Orientaciones para la instalación • Del largo del tubo de impulso depende el funcionamiento automático de un ariete. Si el tubo no tiene suficiente largo, el cambio en volumen entre expansión y contracción no es suficiente para producir la succión necesaria para abrir la válvula de impulso, o el tiempo entre los dos extremos (ida y vuelta de la onda aproximadamente 1100 m/s), será demasiado corto para superar la inercia de la misma válvula Para un ariete convencional este largo varía de constructor a constructor, y coincide de 3 hasta 11 veces la carga de entrada o de 300 a 500 veces el diámetro del tubo de impulso. el Ariete Hidráulico Multipulsor (AHM), que difiere del tradicional en que para incrementar los gastos de bombeo no se aumenta el diámetro de la válvula de impulso y la de descarga o retención, sino que se aumenta el área de descarga y se incrementa el número de válvulas, manteniendo diámetros pequeños, que de forma sumaria logran iguales objetivos con características funcionales más racionales. Las instalaciones de AHM han dado buenos resultados con largo de 6 m o de 1 a 1,5 veces la carga de entrada, independientemente del diámetro del tubo de impulso. • Las vibraciones que produce el golpe de ariete hacen necesario prever un tubo de impulso, preferiblemente de acero, que resista un régimen de trabajo caracterizado por una fatiga excesiva. • Según las condiciones en el subsuelo, se prevé como anclaje un bloque de alrededor de 1 m3 de concreto por unidad de AHM de 6”. • Para evitar obstaculización en las válvulas de impulso y de retención, se coloca un filtro de suficiente capacidad en la entrada del tubo de impulso. Para evitar la entrada de aire en el tubo de impulso por la formación de un remolino, se mantiene una distancia mínima de 50 cm entre el espejo del agua en la presa y la entrada del tubo de impulso.

El aire que entra en el sistema de esta forma incontrolada se comprime en el momento del golpe de ariete, amortiguando parcialmente el impulso, lo cual resulta en pérdida de energía de bombeo y puede provocar inestabilidad o interrupción en el funcionamiento de la instalación. • Por otro lado, existe la necesidad de mantener el nivel de aire en la cámara de aire, que sirve como colchón de amortiguación contra la propagación de los golpes de ariete en el tubo de bombeo. Con este fin se mantiene la válvula de aire suficientemente abierta, para compensar la fuga de aire por absorción en el agua. En caso de funcionamiento durante cierto tiempo en condiciones de inundación, se prevé un inyector de aire que tiene su punto de aspiración encima del espejo de agua en condiciones críticas. SOBRE LOS DESNIVELES ....

Para que el ariete funcione debe haber un desnivel mínimo de 1 metro de altura entre la toma de agua y la entrada del ariete. Cuando hay una caída natural de agua es muy simple la instalación. Pero, que sucede si no hay una caída de agua en mi propiedad?. ¿Es posible crear el desnivel necesario?. Cómo es de suponer, todo canal de agua tiene una pendiente natural , obviamente, la parte mas baja en altura se encontrará siguiendo el curso de agua. Aprovechando esta condición, se puede crear un desnivel usando un largo de cañería tal que en una distancia razonable podamos obtener un desnivel de un metro como mínimo. Considerando una pendiente de 1 %

es posible obtener un metro de desnivel en 100 metros de distancia. Hay un gráfico mas abajo que explica está situación.

Características de Operación Elevación: El ariete puede elevar el agua a una altura superior a los 70 metros, dependiendo de las condiciones del terreno, básicamente depende de la diferencia de altura entre las tomas de agua y el ariete ( ver gráfico mas abajo que explica esta situación).

Distancia: Se puede conducir el agua a una distancia superior a los 2.000 metros entre el ariete y el estanque en altura. No tiene una gran perdida de carga como las motobombas, ya que la velocidad del agua es muy pequeña.

CÓMO CONSTRUIR UN ARIETE HIDRÁULICO

El ariete hidráulico es una máquina que aprovecha únicamente la energía de un pequeño salto de agua para elevar parte de su caudal a una altura superior. Fue inventado en 1796 por Joseph Mantgolfier (1749-1810) y su ingenio se difundió ampliamente por todo el mundo, adaptándose por ejemplo en las famosas fuentes del Taj Mahal, en la India o en el Ameer de Afganistán. Con el tiempo cayó en desuso sobre todo debido al avance arrollador de la bomba centrifuga. En la actualidad asistimos a un renacer del interés sobre este artilugio merced a que es eficiente, ecológico y muy didáctico. La T.I.A.C o Talleres de Investigaciónes Alternativas de la Ciudadela se dedica desde 1998 a investigar y difundir las tecnologías límpias -tanto entre los campesinos como a través de charlas-, consiguiendo que cada vez mayor número de personas utilicen aparatos rescatados del olvido, sencillos y de fácil aplicación. FUNCIONAMIENTO El agua se acelera con su caída a lo largo del tubo de alimentación hasta alcanzar una velocidad suficiente como para que se cierre la válvula A, entonces se crea una fuerte presión producida al detenerse bruscamente el agua. Este golpe de presión abre la válvula B pasando un pequeño chorro de agua al depósito hasta que se equilibran las presiones. Es en este momento cuando la gravedad abre la válvula A y se cierra la B,

repitiéndose de nuevo el ciclo. A cada golpe de ariete el agua pasa al depósito donde se presuriza el aire. Este volumen de aire hace fluir el agua con continuidad por la manguera de elevación. El ritmo suele ser de uno o dos golpes por segundo. El ariete hidráulico es una máquina que provoca continuos cierres bruscos de un circuito de agua con aceleración y que aprovecha las sobre presiones para mandar parte del caudal a una gran altura. RENDIMIENTO El rendimiento del ariete hidráulico varía en función de cociente H/h. Al aumentar el valor resultante, el rendimiento disminuye; en la tabla siguiente puede verse cómo varía el rendimiento energético.

H/h = 2 3 4 6 8 10 12 R = 0 ,850 ,810 ,760 ,670 ,570 ,430 ,23 LA ALTURA DE ELEVACIÓN (H) Como puede deducirse de la tabla anterior, éste no debe superar más de 12 veces el desnivel de trabajo. EL CAUDAL ELEVADO (q): Depende del rendimiento ®, el caudal de alimentación (Q), el desnivel de trabajo (h) y la altura de elevación (H). La ecuación por la que se relacionan es la siguiente: q=R·Q·h/H Por ejemplo q (caudal de alimentación)= 100 litros/minuto; h (desnivel de trabajo)= 3 metros; H (altura de elevación)= 24 metros. La relación H/h=8, luego el rendimiento del ariete en estas condiciones equivale al 57% (0´57). Caudal elevado: q= 0,57·100·3/24=7´125 lit / min= 10.260 litros / día.

12 EL CAUDAL DE ALIMENTACIÓN (Q): El ángulo de inclinación del tubo de alimentación (a) debe estar entre los 10º y los 45º con la horizontal. El caudal de alimentación del ariete dependerá del diámetro de dicho tubo de acometida. En la siguiente tabla se pueden ver

relacionados estos parámetros, para tubería de hierro galvanizado, que es la más recomendable para alimentar arietes hidráulicos. Caudal de alimentación.

13 QLit/min. 30 60 90 120 250 500 1000 Diamtr/Tubo/pulgadas m/m. 1 ¼ /351 ½ /412 /522 ½ 703 /805 /1258 /200 Hay que tener en cuenta que el agua que se acelera en el tubo de alimentación es el que provoca el golpe de ariete por lo que ha de tener una longuitud, inclinación y diámetro adecuados, sin curvas ni estrechamientos. COMO HACER UN ARIETE HIDRÁULICO SENCILLO

Esta es una bomba de ariete construida únicamente con elementos comunes de fontanería. Es económica y de fácil montaje. Resulta un bonito ejercicio para desarrollar en el aula de tecnología de la E.S.O; con él se puede aprender mucha fontanería, física, matemáticas, etc. Todas las piezas menos el depósito de aire y las dos válvulas son de hierro galvanizado. Para caudales pequeños (menores de 30 lit/min) pueden usarse tubos y piezas de calibre menor que D. Es decir, de 1 , ¾ ó ½ pulgada. Las mejores válvulas de retención son Metálicas.

14 MODIFICACIÓN DE LA VÁLVULA DE PIE DE POZO La válvula se abre desenroscando la base y la alcachofa. Hay que cortar el vástago de latón por su base y sustituirlo por una varilla roscada inoxidable de 10 mm de calibre y 25 cm de largo. Para ello nos serviremos de dos tuercas inoxidables, una a cada lado de la goma, la rodaja y la rosca de latón. Haremos otro taladro -bien centrado- en la cara superior de la alcachofa. Para que pase holgadamente el nuevo eje, hay que abrir más las ranuras de la alcachofa permitiendo que el agua salga con libertad. Una vez montada la válvula, se colocan varios tubos de cobre concéntricos alrededor del nuevo eje, que servirán de contrapeso. Se inmovilizan mediante tuercas y arandelas que usaremos para fijar el recorrido del eje.

AJUSTE Una vez instalado el ariete, se varía el recorrido del eje subiendo o bajando el contrapeso y el peso de éste hasta que al abrir la llave de paso y subir y bajar el eje con la mano varias veces el ariete se estabilice a un ritmo de 1 a 2 golpes por segundo. MANTENIMIENTO El ariete necesita pocos cuidados. Tendremos que limpiarlo cada varios meses y cerrar las dos llaves para que se vacíe la máquina. Así se renueva la cámara de aire, que puede llegar a disolverse en el agua con el paso del tiempo. Maestro Sri Deva Fènix- T.I.A.C. (Talleres de Investigaciones Alternativas de la Ciudadela del Fenix