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UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CURSO:

MECÁNICA DE FLUIDOS

TEMA:

BOMBA DE ARIETE

FACULTAD CIVIL Y ARQUITECTURA DOCENTE: DE INGENIERIA ING. LUIS CLEMENTE INTEGRANTES: GARCIA HERRERA LUCIO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DURAND ESPINOZA GIOVANA ALIAGA SINARAGUA JHONSMER SEMESTRE:

V

SATIPO – PERU

CIVIL

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INTRODUCCIÓN La bomba de ariete hidráulico, también conocida como ariete hidráulico, es una herramienta que aprovecha la energía cinética de un pequeño desnivel para elevar el agua a una altura superior, sin la necesidad de usar electricidad o combustible alguno. De este modo, esta bomba toma el agua de un depósito situado a una altura ligeramente superior, aprovechando la energía cinética que genera el propio fluido al trasladarse por una tubería hasta el cuerpo de la misma provocando una sobrepresión ocasionada por la apertura y cierre continuo de una válvula de pie de pozo diseñada con el fin que genere la presión adecuada y logre alcanzar su altura ideal, esta sobrepresión producida se denomina golpe de ariete y es el principio básico para su funcionamiento. (Nebra, 2013). Esta tecnología se atribuye al francés Joseph Michel Mongolfier quien la patentó en 1796. Según algunas referencias bibliográficas revisadas el ariete hidráulico, es una herramienta de construcción y funcionamiento muy sencillo, tiene un rendimiento cerca del 70%, trabajando sin parar durante las 24 horas del día y los 365 días del año. (Ibañez, 2012). Con el presente trabajo se pretende resolver algunas inquietudes como son tener en cuenta consideraciones de diseño y construcción de una bomba de golpe de ariete de aplicación doméstica, atendiendo parámetros de funcionamiento y de economía. Vale la pena resaltar que el ariete será desarrollado como aplicación doméstica y no de tipo industrial y de laboratorio. Adicionalmente con la elaboración del presenta trabajo se busca identificar la reducción de consumos y costos de agua generados en una vivienda con una alternativa antigua aplicada al consumo de agua del siglo XXI.

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BOMBA DE ARIETE 1. Definición Del Golpe De Ariete El golpe de ariete fue descrito por primera vez por Zhukovsky en 1889 y lo definió “como la variación de la presión en los conductos de agua, provocada por el aumento o la disminución brusca de la velocidad del líquido. En las instalaciones de puesta en marcha y parada de las bombas, así como en la apertura y cierre de válvulas, y en general en toda variación que pueda originarse en la velocidad de circulación de agua en una instalación, se produce este fenómeno originando una serie de sobrepresiones y depresiones alternativas, que se van amortiguando con el tiempo”. (Nebra, 2013). “En el momento en el que se acciona una válvula de una tubería que contiene un líquido sometido a una presión, se altera la velocidad del mismo en la sección contigua al dispositivo, y se provoca una transformación de energía cinética a energía de presión. Esto implica la aparición de presiones locales distintas a las que había antes de la perturbación. Por ello, es necesario el análisis correcto del golpe de ariete en 17 tuberías para su óptimo dimensionado, en cuanto a timbrajes se refiere, pues un error en el mismo nos puede conducir a dos situaciones distintas: por un lado, el sobredimensionamiento y consecuentemente el encarecimiento de la instalación; o por el otro, el cálculo de la tubería por defecto con el consiguiente peligro de rotura” (Albert Soriano Rull, 2012). 2. Usos del golpe de ariete “No se puede observar este fenómeno como perjudicial en todos los casos, ya que, por ejemplo, en el caso del ariete hidráulico, el golpe de ariete va a ser el principio básico para el funcionamiento de la bomba, creando una sobrepresión que luego va a ser utilizada para impulsar el fluido a un punto más alto. Es por ello que para el diseño de

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE la bomba de ariete interesa que la válvula de impulso se cierre de la forma más rápida posible para crear una mayor sobrepresión.” (Ortiz, 2006). 3. Bombas de golpe de ariete La bomba de ariete, también conocida como ariete hidráulico, hydram o ram pump, aprovecha la energía hidráulica ocasionada de un pequeño desnivel para elevar agua a una altura superior, sin usar, para ello, electricidad o combustible alguno. De este modo, esta bomba de impulsión toma el agua de un depósito, acequia o río situado a una altura ligeramente superior, aprovechando la energía cinética que induce el propio fluido al discurrir por una tubería hasta el cuerpo de la misma para provocar una sobrepresión ocasionada por la apertura y cierre continuo de una válvula. Esta sobrepresión producida se denomina golpe de ariete y es el principio básico para su funcionamiento. La bomba de ariete no es un invento actual sino que pertenece al conjunto de herramientas que han sido relegadas, en muchos casos, a piezas de colección, mostradas en museos como mero recuerdo de lo que hace un tiempo no tan lejano significaron para el desarrollo de los pueblos. De este modo, observamos como norias, ruedas o arietes hidráulicos, entre otros muchos, fueron sistemas de bombeo muy extendidos y de gran éxito que con la irrupción de la corriente eléctrica y la bomba centrífuga fueron cayendo poco a poco en desuso, debido a la mayor eficiencia de estas últimas. Esta situación de omnipresencia que durante este último siglo han disfrutado los sistemas de bombeo eléctricos y de combustión interna ha llevado a un desarrollo de éstos magnífico, coincidente con el esplendor de las nuevas tecnologías, lo que ha provocado el abandono de los sistemas tradicionales así como de su investigación en busca de máquinas más eficientes de las que existían antiguamente, bien fabricándolas con otros materiales o bien añadiendo nuevos elementos que permitiesen un mayor

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE rendimiento. Sin embargo, en los últimos años, se ha suscitado un interés creciente en los dispositivos de energía renovable, debido no sólo a una mayor concienciación social, sino a los actuales precios del petróleo y de la electricidad (Castillo, 1987). 4. Reseña histórica “La primera bomba de ariete conocida se atribuye al inglés John Whitehurst en 1772. Este ilustre personaje experimentaba con el agua que fluía rápidamente por los tubos, y en su cervecería, ubicada en el condado de Cheshire, inventó una máquina muy rudimentaria, la cual era accionada manualmente. Este hydram, al que denominó “pulser pump” estaba accionado por un grifo en una tubería conectada a un tanque de 19 abasto, en un nivel superior, para provocar el fenómeno físico conocido como golpe de ariete, el cual le permitió elevar el líquido a un tanque de almacenamiento colocado a 4.9 metros de altura.” (Nebra, 2013).

Figura 01: Diseño del “pulser pump” de John Whitehurst (Altozano, 2002)

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE “Unos años después, en 1776, la sagacidad humana añadió elementos al invento de John Whitehurst y se fabricó el primer ariete hidráulico auto activante de la mano de los hermanos Montgolfier, cuya mejora consistía en que ya no se necesitaba de ninguna fuerza externa para abrir la válvula de impulso, sino que era la propia fuerza inherente del agua la que se encargaba de realizar esa tarea. A este nuevo prototipo le denominó” “belier hydraulique”. (Nebra, 2013).

Figura 02: Diseño del “belier hydraulique” de los hermanos Montgolfier (Altozano, 2002).

Por ejemplo: Jardines del Taj Mahal (1656), actualmente regados mediante sistemas basados en bombas de ariete. El agua se toma del río Yamuna. En primer plano el mausoleo construido en mármol blanco.

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5. Elementos de una bomba de ariete “El cuerpo del ariete es estructuralmente simple y suele estar constituido, sobre todo en los casos de bombas de ariete comerciales, por una unidad ensamblada cuyos elementos pueden estar unidos por pernos, tornillos o mediante soldadura.” (Nebra, 2013). el ariete consta de una serie de elementos que vamos a describir a continuación: 5.1. Fuente de alimentación Fuente continua de agua, que normalmente será un río al que le será devuelta unos metros más abajo el agua descargada por la bomba de ariete. También puede tratarse de un depósito suficientemente grande, normalmente fabricado de plástico u hormigón. Esta fuente tendrá que proporcionar agua a una altura H por encima del nivel al que se encuentre la bomba de ariete. Esta altura H depende del tipo de bomba con el que se trabaje, así como la altura final a la que se quiera bombear

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE agua y el rendimiento que busquemos, pero un valor usual puede ser entre 2 y 5 metros. 5.2. Tubería de alimentación Tubería larga y rígida que une el depósito de alimentación con la bomba de ariete. Por esta tubería el fluido se va acelerando para llegar a la bomba de ariete con cierta velocidad. Por esta tubería se propagarán además varias ondas de choque, por lo que ha de ser resistente y debe estar bien fijada. Es aconsejable que tenga la menor cantidad de codos, estrechamientos 14 e imperfecciones posibles. Conviene también que disponga de un filtro en el extremo de la fuente de alimentación, para impedir que posibles partículas de determinado tamaño pasen por ella y puedan llegar a la bomba de ariete. 5.3. Tubería de salida o de elevación Tubería más estrecha que la de alimentación, por la que el agua se elevará hasta la altura deseada, h. No se verá sometida a incrementos demasiado bruscos de presión, por lo que el material más comúnmente utilizado es el plástico. Alturas frecuentes de elevación son en torno a 4 o 6 veces la altura de alimentación (H). 5.4. Válvula de cheque inicial “pieza, probablemente, más importante de la bomba de ariete, sin restar a las demás su respectiva transcendencia, debido a que va a ser la encargada de producir el golpe de ariete como consecuencia al cierre brusco que se produce por el efecto del incremento de la velocidad del agua.” (Nebra, 2013).

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE 5.5. Válvula de cheque final “Se trata de una válvula no retorno que comunica el cuerpo del ariete hidráulico con la tubería de descarga y la cámara de aire. Su apertura se produce como consecuencia de la sobrepresión ocasionada, permitiendo el paso del fluido hacia el depósito de descarga pero no su retorno hacia el hydram.” (Nebra, 2013). 5.6. Cuerpo de la bomba de ariete Lugar donde se produce la inversión de la onda de presión y donde se ubican las válvulas de cheque inicial y de descarga, y a su vez base de asientos y de ubicación de los elementos del ariete. (Nebra, 2013). 5.7. Cámara de aire o calderín “Dispositivo que regula el flujo de agua hacia la tubería de descarga, absorbiendo la sobrepresión (funciona como amortiguador de los golpes de ariete) e impulsando el agua por la tubería de descarga, dando de esta forma, un flujo casi continuo.” (Nebra, 2013). 6. Explicación básica del funcionamiento de la bomba de ariete Para entender el funcionamiento básico de la bomba de ariete, vamos a centrarnos en explicar el proceso que se llevará a cabo una y otra vez de forma ininterrumpida: En primer lugar, encontrándose la válvula de choque abierta, comienza a bajar agua desde el depósito de alimentación por la tubería de alimentación, hasta que llega a la caja de válvulas y sale por la válvula de choque:

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Figura 03: El agua sale al exterior por la válvula de choque.

A medida que se acelera el agua, aumenta la fuerza de arrastre que ésta ejerce sobre la clapeta de la válvula de choque, hasta que es suficiente para cerrarla de golpe:

Figura 04: La fuerza de arrastre del agua provoca que la válvula de choque se cierre de golpe.

Al cerrarse bruscamente la válvula de choque, la columna de agua que se traslada por la tubería de alimentación aún posee una gran energía cinética. Esta energía cinética se disipa a costa de aumentar repentinamente la presión en la caja de válvulas:

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Figura 05: Se produce un ‘golpe de ariete’ y aumenta mucho la presión del fluido.

Al tener la caja de válvulas una gran presión, permite la apertura de la válvula de NR y el paso de agua desde la caja de válvulas hacia la cámara de aire y a través de la tubería de elevación:

Figura 06: La válvula de NR se abre y permite el paso de agua hacia el pulmón y la tubería de elevación.

Cuando se igualan las presiones a uno y otro lado de la válvula de NR, ésta se cierra cortando el paso del fluido, y la presión que se ha acumulado en el aire de la cámara es transmitida al fluido, que es elevado por la tubería de salida o de elevación:

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Figura 07: cierra la válvula de choque y se va liberando la presión almacenada en el pulmón.

Pasados unos instantes, la presión en la caja de válvulas sigue disminuyendo, hasta que la clapeta de la válvula de choque se abre debido a su propio peso, y comienza a salir de nuevo agua por ella:

Figura 08: La válvula de choque se abre y comienza de nuevo todo el proceso.

De esta forma, volvemos a encontrarnos en la misma situación que al principio del proceso, repitiéndose este una y otra vez de forma continuada hasta que sea interrumpida voluntariamente, cerrando una llave de paso.

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE 7. Dimencionalidad: CAUDAL l/min

3-6

6-16

12-30

18-45

TUBERIA ALIMENTACION mn 3/4

1

1 1/4

1 1/2

TUBERIA ALIMENTACION mn 20

25

32

40

TUBERIA ELEVACIÓN mn

3/8

1/2

3/4

1

TUBERIA ELEVACIÓN mn

10

15

20

25

hay que tener en cuenta la base de funcionamiento de la bomba de ariete: en la transformación de la energía cinética del agua para permitir el bombeo se pierde agua, o sea una parte del caudal de alimentación sale por la válvula de choque. Al mismo tiempo hay que tener en cuenta que la bomba de ariete funciona las 24 horas del día, por lo tanto incluso con pequeños caudales de agua efectivamente bombeada se consiguen muchos m3 cubicos de agua elevada al final del día. 8. Diámetro Recomendado En Función Del Caudal De Agua: Caudal de Lt/min 30 alimentacion Diametro pulgadas 1 1/4 recomendable del tubo de mn 35 alimentacion

60

90

120

250

500

1000

1 1/2

2

2 1/2

3

5

8

41

52

70

80

125

200

Formulas: Caudal elevado =(2.Q.h)/3.h = 2.Q.h/3h Donde: Q= el caudal de alimentacion en litros por minuto. h = desnivel de trabajo en metros.

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE H = altura elevacion en metros Ejemplo: Q =42 Lt/min h = 1.40 H = 5.50 m Caudal elevado: (2.42 Lt/min*1.40)/(3*5.50) = 2.42 Lt/min *1.40 -----------------------3*5.50 = 117Lt/min -----------------------3*5.50 =7.09 Lt/min Perdida de carga = Q-caudal elevacion Donde: Pc=perdida de carga Pc= 42-7.09 Lt/min Pc = 34.92 Lt/min

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE PROCESO DE CONSTRUCCION BOMBA DE ARIETE PVC “1” INSUMOS

CODO PVC 1”

CINTA TEFLON

TEE PVC 1”

NIPLE PVC

VALVULA CHECK DE PASO VALVULA DE PIE DE PASO

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LLAVE DE PASO 1”

BOTELLA VACIA

REDUCCIÓN PVC DE 1” A 1/2

MANGUERA DE 1”

TUBO PVC DE 1”

PEGAMENTO 1/8

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE BOMBA DE ARIETE PVC 1” ESQUEMA DE ARMADO

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE BOMBA DE ARIETE PVC 1” ENSAMBLAJE

Se utiliza cinta teflón para evitar perdida de fluido

Se ensambla el codo PVC 1”

Se ensambla el niple PVC para la conexión de la válvula de 1”

Se instala la válvula de alimentación de 1”

Se instala el codo PVC 1” que nos servirá para armar la válvula de descarga y el acumulador

Detalle de instalación válvula de descarga

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Finalmente se instala el acumulador

vista de la bomba de ariete ensamblada

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CONCLUSIONES



Como resultado del presente trabajo se puede indicar que al realizar algunas modificaciones en el sistema de conducción y diseño del ariete hidráulico se puede generar un mejor rendimiento y mayor alcance sin la necesidad de tener una altura de abastecimiento considerable.



El ariete hidráulico es una alternativa muy práctica en lugares donde se tengan las condiciones adecuadas de abastecimiento, conducción y reutilización de aguas, ya que no genera gastos directos de operación y mantenimiento, siendo esta una herramienta autosuficiente que nos generara disminución costos y consumos de agua.



Una de las características más llamativas del sistema es el hecho de no utilizar ningún tipo de combustible fósil o energía eléctrica para su funcionamiento, lo cual es determinante para la mayoría de las personas al momento de optar por la adquisición de algún sistema de bombeo.

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RECOMENDACIONES

 Se debe realizar algún tipo de modificación o inclusión al sistema con el fin de reducir o conducir las pérdidas generadas al momento de operar el sistema de golpe de ariete.  Es importante que el agua de los tanques de abastecimiento y distribución, se encuentre en constante movimiento; es decir que la operación de la bomba se realice de manera continua en distintos días de la semana, de lo contrario se podrían generar malos olores o proliferación de vectores como zancudos.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 Albert Soriano Rull, F. J. (2012). Suministro, distribucion y evacuación interior de agua sanitaria. Barcelona: marcombo.  Castillo, U. M. (1987). Teoría del golpe de ariete y sus aplicaciones en ingenieria hidráulica. Madrid: Limusa.  Jimenez, S. d. (2011). Fluidos, bombas e instalaciones hidráhulicas. Cataluña: Universitat Politecnica de Catalunya. .  Manuel Viejo Zubicaray, J. Á. (2004). Bombas teoria, diseño y aplicaciones. Mexico D.F: LIMUSA S.A de C.V.  Nebra, J. O. (2013). Memoria (spa). Obtenido de Memoria (spa):  http://zaguan.unizar.es/record/10487/files/TAZ-PFC-2013-200.pdf  Ortiz, J. E. (2006). Mecanica de fluidos e Hidraulica. cali: Editorial universidad del valle.  Ayala, J. L. (2011). Scribd. Recuperado el 10 de Mayo de 2013, de Scribd:  http://es.scribd.com/doc/56413938/Bomba-de-ariete-hidraulico  Martínez, F. J. (Febrero de 2012). Estudio Teórico y Experimental de la Bomba de Ariete. Madrid, España.

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Almacenamiento de agua

Funcionamiento de la bomba de ariete

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Bombeo del agua