DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA BOMBA DE ARIETE HIDRÁULICO PARA USO RESIDENCIAL.
DAGOBERTO GOMEZ CORTES DANIEL RICARDO TRIANA SALGADO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS C ALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES TECNOLOGÍA EN SANEAMIENTO AMBIENTAL COLOMBIA 2015
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA BOMBA DE ARIETE HIDRÁULICO PARA USO RESIDENCIAL.
Presentado por: DAGOBERTO GOMEZ CORTES DANIEL RICARDO TRIANA SALGADO
Proyecto de Grado para optar al título de Tecnólogo en Saneamiento Ambiental.
Director JORGE ALBERTO VALERO FANDIÑO Ingeniero Civil, M.S.C
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES TECNOLOGÍA EN SANEAMIENTO AMBIENTAL COLOMBIA 2015
AGRADECIMIENTOS
A Dios por habernos dado esta gran oportunidad de estar en este mundo y compartirla al lado de personas tan valiosas como ustedes
A nuestros padres, y familiares por aconsejarnos, guiarnos y acompañarnos en nuestro camino hacia la excelencia, como resultado de su perseverancia, apoyo y respeto, nos permiten celebrar estos logros a su lado.
A la universidad Distrital Francisco José de Caldas, porque gracias a ella hemos adquirido conocimientos invaluables que forjaron nuestro camino como tecnólogos.
A nuestro profesor y director de proyecto de grado Jorge Alberto Valero Fandiño , por darnos la oportunidad de trabajar a su lado y adquirir nuevos conocimientos siendo el un apoyo incondicional en la consecución del presente proyecto de grado, pues su profesionalismo paciencia y perseverancia, demuestran su excelente labor como docente
NOTA DE ACEPTACIÓN
_________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________
_______________________________ DIRECTOR INTERNO
_______________________________ Jurado
TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA BOMBA DE ARIETE HIDRÁULICO PARA USO RESIDENCIAL.
RESUMEN El presente trabajo de grado busca ofrecer a los domicilios de Colombia una herramienta que facilite el transporte de aguas grises provenientes de la lavadora y aguas lluvia, para su posterior uso en labores de descarga de sanitarios y lavado de pisos. A demás se busca identificar cuáles son las consideraciones de diseño y construcción de una bomba de golpe de ariete hidráulico de aplicación doméstica, atendiendo parámetros de funcionamiento y de economía.
Palabras clave: transporte, aguas grises, diseño, construcción, ariete hidráulico, economía
SUMMARY This paper seeks to offer undergraduate addresses of Colombia a tool that facilitates the transport of gray water from the washing machine and rainwater for later use in flushing toilets work and washing floors. The other is to identify what design considerations and construction of a pump water hammer domestic force taking operating parameters and economics are.
Keywords: transportation, gray water, design, construction, hydraulic ram, economy
CONTENIDO 1.
INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 11
2.
JUSTIFICACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................ 13
3.
OBJETIVOS.................................................................................................... 15
3.1
OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................................... 15
3.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................................. 15
4.
MARCOS DE REFERENCIA .......................................................................... 16
4.1
M ARCO CONCEPTUAL .................................................................................................................... 16
4.1.1
Definición de golpe ariete. ............................................................................................. 16
4.1.2
Usos del golpe de ariete ................................................................................................. 17
4.1.3
Bombas de golpe de ariete. .......................................................................................... 17
4.1.3.1
Reseña histórica ........................................................................................................................18
4.1.3.2
Elementos componentes de una bomba de ariete. ...........................................22
4.1.3.2.1 Válvula de cheque inicial. .............................................................................................................22 4.1.3.2.2 Válvula de cheque final. ................................................................................................................23 4.1.3.2.3 Cuerpo de la bomba de ariete. .................................................................................................23 4.1.3.2.4 Cámara de aire o calderín. ..........................................................................................................23 4.1.3.2.5 Válvula de admisión de aire (opcional). ..............................................................................23 4.1.3.3 4.2
5. 5.1
Funcionamiento del ariete hidráulico. .........................................................................24
M ARCO GEOGRÁFICO Y DEMOGRÁFICO . .................................................................................. 26
METODOLOGIA. ............................................................................................ 29 ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN . ..................................................................................... 29
5.2
CLASIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE INFORMACIÓN . ....................................................................... 29
5.3
DISEÑO.
5.4
CONSTRUCCIÓN. ............................................................................................................................. 29
5.5
IMPLEMENTACIÓN, PUESTA EN MARCHA Y EVALUACIÓN DE CONSUMOS : ...................... 30
............................................................................................................................................. 29
6. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE LA BOMBA DE ARIETE ............................................................................................................... 31 6.1
BOMBA DE GOLPE DE ARIETE FINALMENTE CONSTRUIDA ................................................... 31
6.1.1
6.2
Estructura de soporte de la bomba de ariete. ...................................................... 33
PRUEBAS DE BOMBEO ................................................................................................................... 35
6.2.1
Montaje realizado para las pruebas de bombeo ................................................. 36
6.2.2
Detalle del tanque de abastecimiento utilizado durante las pruebas de
bombeo.
.................................................................................................................................................... 38
6.3
RESULTADOS OBTENIDOS EN LAS PRUEBAS DE BOMBEO . ................................................. 39
6.4
PUESTA EN MARCHA DE LA BOMBA............................................................................................ 41
6.5
COSTOS DE LA BOMBA
.................................................................................................................. 49
7.
CONCLUSIONES ........................................................................................... 50
8.
RECOMENDACIONES ................................................................................... 51
9.
REFERENCIAS............................................................................................... 52
10. ANEXOS ......................................................................................................... 54
LISTA DE FIGURAS Figuras 1. Representación esquemática del golpe de ariete (Albert Soriano Rull, 2012)....................................................................................................................... 16
Figuras 2. Diseño del “pulser pump” de John Whitehurst (Altozano, 2002) ........... 19 Figuras 3. Diseño del “belier hydraulique” de los hermanos Montgolfier (Altozano, 2002)....................................................................................................................... 20
Figuras 4. Partes bomba de ariete convencional (Manuel Viejo Zubicaray, 2004). 22 Figuras 5. Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011) .......................... 24 Figuras 6. Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011) .......................... 25 Figuras 7. Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011) .......................... 25 Figuras 8. Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011) .......................... 26 Figuras 9. Ubicación vivienda donde se instaló la bomba de golpe de ariete (Earth, 2015)....................................................................................................................... 27
Figuras 10. Montaje para las pruebas de bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. .......................................................................................... 35
Figuras 11. Esquema de instalación bomba de ariete. Diseño elaborado por los autores del presente documento. ........................................................................... 47
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TABLAS Tabla 1. Caudales de He (altura de entrada) VS Hs (altura de salida). .................. 40 Tabla 2. Costos de materiales del ariete hidráulico en pesos colombianos agosto de 2015 ........................................................................................................................ 49
GRAFICAS Grafica 1. Histórico consumo de agua últimos 6 meses . ....................................... 28 Grafica 2. Relación entre la altura de entrada (He), altura de salida (Hs) y el caudal descargado (Q). ...................................................................................................... 40
BOCETOS Boceto 1. Propuesta final de la bomba de ariete. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. ...................................................................................................... 32
Boceto 2. Dimensiones de la bomba de ariete finalmente construida. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. .................................................................. 33
Boceto 3. Fabricación de base para el anclaje del ariete ...................................... 34 Boceto 4. Montaje para las pruebas de bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. ...................................................................................................... 37
Boceto 5. Sistema de alimentación diseñado para las pruebas de bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. Construcción realizada por los autores del presente documento ......................................................................................... 38
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FOTOS Foto 1. Bomba de ariete finalmente construida por los autores del presente documento. ............................................................................................................. 32
Foto 2. Base del ariete en concreto. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. Construcción realizada por los autores del presente documento ............. 34
Foto 3. Montaje para las pruebas de bombeo finalmente implementado por los autores del presente documento . ........................................................................... 36
Foto 4. Alturas del balde de entrada utilizadas durante las pruebas de bombeo ... 37 Foto 5. Balde de alimentación utilizado en las pruebas de bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. Construcción realizada por los autores del presente documento ............................................................................................... 39
Foto 6. Esquema de captación y almacenamiento de aguas lluvias finalmente implementado por los autores del presente documento. ........................................ 42
Foto 7. Captación aguas provenientes de la lavadora. .......................................... 42
Foto 8. Conexión entre el tanque de almacenamiento y la bomba de ariete. ......... 43 Foto 9. Conducción de agua de bomba de ariete a tanque de distribución. .......... 44 Foto 10. Tanque de distribución. ............................................................................ 44 Foto 11 Distribución del tanque aéreo al depósito de la unidad ............................. 45 Foto 12 Conducción de pérdidas. .......................................................................... 46 Foto 13 Partes finalizadas. ..................................................................................... 46 Foto 14. Válvula del sistema y del acueducto. ....................................................... 48
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1. 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) De este modo el presente proyecto de grado busca ofrecer a los domicilios de Colombia una herramienta práctica que facilite el trasporte de aguas grises provenientes de la lavadora y agua lluvia, para su posterior uso en labores de descarga de sanitarios y lavado de pisos, sin la necesidad de tener que transportar agua en baldes, labor que desmotiva la utilización de dicho fluido. Con el presente trabajo de grado 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 11
generados en una vivienda con una alternativa antigua aplicada al consumo de agua del siglo XXI
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2. JUSTIFICACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Es importante saber que en los hogares colombianos se está llevando a cabo una práctica bastante positiva, y de gran importancia en cuanto al uso eficiente del recurso hídrico. De modo que la reutilización proveniente del lavado de ropas y aguas lluvias, es empleada en beneficios de lavado de pisos, descargas del sanitario y otras actividades que no requieren un alto grado de calidad del agua. Sin embargo, llegamos a la conclusión que lo que puede llegar a desmotivar el uso de reutilizar las aguas grises, es el hecho de transportarla manualmente, desde el punto de almacenamiento hasta el punto de aplicación; ya que estas pueden ser captadas de techos, terrazas, y del lavado de ropas, para luego ser transportadas en baldes hasta el lugar de almacenamiento y disposición final, lo cual genera una serie de inconvenientes tales como: derrames, sobrecargas del líquido, aumento de tiempos y recorridos. Situación que se solucionaría con un mecanismo que permita el transporte de agua desde la descarga final hasta el punto de su aplicación. El ariete hidráulico construido cuenta con ventajas comparativas respecto a otros tales como, no hacer uso de energía eléctrica y combustibles fósiles lo que se traduce en ahorros significativos en electricidad, combustibles, y recursos financieros. En el presente proyecto de grado se propone a las familias colombianas un ahorro de servicios y finanzas mediante la reutilización de aguas, sin tener que hacer uso del agua potable, lo que implica la sobre explotación de cuencas para la producción de agua destinada a labores que no requieren agua de alta calidad. La implementación del sistema de ariete hidráulico pueda llevar a tener gran utilidad en los hogares
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colombianos, obteniendo gran beneficio en disminución de consumos hídricos, y menor costo en su servicio.
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3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo general
Diseñar y construir una bomba de ariete hidráulico para uso residencial teniendo en cuenta consideraciones técnicas y económicas
3.2 Objetivos específicos
Realizar y clasificar una exploración detallada, de la bibliografía relacionada con bombas de golpe de ariete.
Diseñar una bomba de ariete hidráulico para uso residencial.
Construir una bomba de ariete hidráulico e instalarla en una de las viviendas de los ejecutores, considerando principios de economía y funcionalidad.
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4. MARCOS DE REFERENCIA
4.1 Marco conceptual
4.1.1 Definición de golpe 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)
Figuras 1. Representación esquemática del golpe de ariete (Albert Soriano Rull, 2012).
“ 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
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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).
4.1.2 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 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)
4.1.3 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
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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 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).
4.1.3.1 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
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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)
Figuras 2. Diseño del “pulser pump” de John Whitehurst (Altozano, 2002)
“ 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)
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Figuras 3. Diseño del “belier hydraulique” de los hermanos Montgolfier (Altozano, 2002).
“ Después de la muerte del célebre francés, no fueron pocas las voces que se ocuparon de añadir bondades al invento e investigaron los secretos de su aparente magia. El trabajo de Joseph Montgolfier fue mejorado por su hijo, François, quien en 1816 diseñó una válvula para introducir aire en la cámara del ariete hidráulico con la intención de mejorar el rendimiento, llegando a bombear agua a 48 metros de altura. En 1820, la patente pasó a las manos de Easton Company, siendo la primera empresa en fabricar bombas de ariete a escala comercial usados para el abastecimiento de agua en comunidades, granjas o en otros lugares como las fuentes del Taj Mahal o el Ameer de Afganistán. Era un tiempo donde la gasolina se encontraba en pequeñas botellas en las boticas, faltaba mucho tiempo para que hubiera corriente eléctrica y la máquina de vapor acababa de empezar a andar, por lo que el ariete hidráulico tuvo una amplia difusión por todo el mundo. Esta situación provocó que investigadores experimentaran con el invento y formularan hipótesis para intentar describir el proceso de funcionamiento. Eytelwein, en 1805; d’Aub uisson, en 1840 y Morin, en 1863, aportaron deducciones empíricas que aún persisten en trabajos de referencia, aunque fueron
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criticados por técnicos de la época debido a que no reflejaban su verdadera complejidad. El problema se encontraba en que el principio de funcionamiento, el golpe de ariete, no estaba definido aún, ya que científicos europeos habían observado su impacto en conducciones de tuberías pero no sabían describir su proceso. Fue en 1889, cuando un científico ruso, N. Zhukovsky, detalló la teoría del fenómeno del golpe de ariete, suponiendo la base para la mejora y el conocimiento, así como el desarrollo de las bombas de ariete. La fusión de la teoría y la práctica aportaron las claves cognitivas: desde Harza, en 1908, con el diseño de un equipo experimental accionado por un motor externo para determinar el caudal inestable durante el período de aceleración; O’Brien y Gosline, en 1933, quienes contribuyeron a dar una primera explicación satisfactoria para el funcionamiento del ariete; Lansford y Dugan, en 1941, que obtuvieron informaciones atendibles; Krol, en 1951, quien formuló un ciclo teórico para el funcionamiento del ariete hidráulico; o el modelo de Iversen, en 1975; hasta recientes indagaciones como las realizadas por Schiller y Kahangire en la Universidad de Ottawa; el belga Jan Haemhouts, desde 1989 a 1998, e investigadores cubanos desde la década del noventa del pasado siglo. Pero con el paso de los años, el boom del petróleo, la consolidación de la 24 industria moderna y el avance arrollador de la bomba centrífuga fue desapareciendo el interés por las bombas de ariete hasta hoy en día que se usan de forma anecdótica en algunos proyectos, sobretodo, en países en vías de desarrollo, donde las personas que allí habitan no suelen tener acceso fácil ni a la electricidad ni a los combustibles. Sin embargo, lo que más se recuerda de la era victoriosa de los arietes hidráulicos es el escaso mantenimiento que requerían y su vida útil, lo que hubiera permitido satisfacer ciertos mercados por varias décadas (en Ameya,
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Nicaragua, se encuentra una bomba de ariete funcionando desde 1884) ” (Altozano,
2002). 4.1.3.2 Elementos componentes 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)
Figuras 4. Partes bomba de ariete convencional (Manuel Viejo Zubicaray, 2004).
“ A su vez, el ariete consta de una serie de elementos que vamos a describir a continuación y podemos observar en la figura anterior:” (Nebra, 2013)
4.1.3.2.1 Válvula de cheque inicial. “ pieza, probablemente, más importante de la bomba de ar iete, 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)
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4.1.3.2.2 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)
4.1.3.2.3 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)
4.1.3.2.4 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)
4.1.3.2.5 Válvula de admisión de aire (opcional). “ Sirve para renovar el aire absorbido por el agua cuando la bomba se encuentra en funcionamiento” (Manuel Viejo Zubicaray, 2004).
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4.1.3.3 Funcionamiento del ariete hidráulico. “ En un principio, la válvula de impulso se encuentra abierta como consecuencia del propio peso que la mantiene en esa posición, mientras que la válvula de descarga se encuentra cerrada. Desde la fuente de suministro el agua fluye por la tubería de alimentación, mientras va adquiriendo una aceleración, atravesando el cuerpo del ariete y escapando a través de la válvula de impulso. ” (Nebra, 2013)
Figuras 5.Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011)
“ A medida que transcurre un pequeño periodo de tiempo, el agua que circula por la tubería de alimentación alcanza cierta aceleración suficiente para que la presión dinámica del fluido actúe sobre la válvula de impulso, venciendo su propio peso, y la cierre. Esta interrupción del flujo de agua produce una sobrepresión instantánea de gran empuje, conocida como golpe de ariete, que obliga a abrir la válvula de descarga o válvula check, entrando el flujo de agua hacia el pulmón, comprimiendo el aire que ahí se encuentra.” (Nebra, 2013)
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Figuras 6. Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011)
“ Una vez disipada la sobrepresión generada en el pulmón, y por lo tanto igualada la presión a uno y a otro lado de la válvula anti retorno, el aire comprimido actúa como una especie de muelle, transmitiendo al fluido la presión que se ha acumulado en el aire de la cámara, provocando el cierre la válvula check y el bombeo del agua a través de la tubería de descarga.” (Nebra, 2013)
Figuras 7. Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011)
“ Cuando la presión del aire, en la cámara, aumenta hasta ser igual o mayor que la fuerza impulsora ocurre el retroceso de agua cerrando la válvula de descarga y abriendo la válvula de impulso, con lo que se repite de nuevo el ciclo. El retroceso del
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agua permite la inyección de aire por medio de la válvula de aire, con el fin de compensar el aire absorbido por el agua.” (Nebra, 2013)
Figuras 8. Funcionamiento del ariete hidráulico (Jimenez, 2011)
“ El ciclo de bombeo del ariete hidráulico ocurre de forma muy rápida, repitiéndose este fenómeno del orden de 40 a 120 veces por minuto (Jeffery et al. 1992). Durante cada ciclo sólo un pequeño volumen de agua logra alcanzar el depósito de descarga como consecuencia de que mucha cantidad de fluido escapa a través de la válvula de impulso. Sin embargo, ciclo tras ciclo, las 24 horas diarias, los 365 días del año, hace que el caudal elevado sea significativo.” (Nebra, 2013)
4.2 Marco geográfico y demográfico. La instalación de la bomba de ariete hidráulico para uso residencial, se realizó en una vivienda ubicada en la Carrera 26 N° 5 – 26 Barrio la alborada, en la ciudad de Villavicencio capital del departamento del meta, dicha ciudad se ubica
en
el Piedemonte de la Cordillera Oriental, al Noroccidente del departamento, en la margen izquierda del río Guatiquía, cuenta con una población urbana aproximada de 486.433 habitantes en 2015 (DANE, 2011). Presenta un clima cálido y muy húmedo, con temperaturas medias de 28° C. 26
Villavicencio se encuentra dividido en 8 comunas, 235 barrios (de los cuales solo 32 son legalizados), 101 asentamientos, 2 zonas de invasión, 7 corregimientos y 61 veredas en total. La zona urbana es atendida por el acueducto principal, a cargo de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Villavicencio (EAAV), que se surte de las bocatomas de Bavaria, Puente Abadía, Quebrada Honda, Caño Parrado, así como de los pozos profundos de los barrios Dos Mil, Esperanza 1, Olímpico, La Rosita, Remanso, Estero, Parque La Llanura y El Jardín con una cobertura del 91.82% (Gobernacion, 2013).
Figuras 9. Ubicación vivienda donde se instaló la bomba de golpe de ariete (Earth, 2015).
En la vivienda anteriormente reseñada, habitan actualmente tres (3) personas adultas cuyas edades oscilan entre los 20 y 25 años, el uso del agua es netamente doméstico (Aseo personal, lavado de ropa y áreas de la vivienda, cocción de alimentos, unidades sanitarias), no se realiza ninguna actividad de tipo industrial o comercial que requiera de 27
caudales adicionales o usos distintos. El horario donde se presenta el caudal máximo diario, está entre las 6 y las 9 de la mañana, el reporte histórico de consumos de agua ha sido el siguiente: los últimos seis (6) meses, muestran un gasto promedio de 9,5 metros cúbicos mensuales, según la empresa de acueducto y alcantarillado de Villavicencio (EAAV) como se observa en la siguiente gráfica.
12
11 10
10
10
9
9 8
8 3 m 6 o m u s 4 n o c
2 0 Abril 2015
Mayo 2015
Junio 2015
Julio 2015
Agosto 2015
Septiembre 2015
Mes - año
Grafica 1. Histórico consumo de agua últimos 6 meses .
Después de realizar el balance de los consumos según los históricos reportados por la empresa de acueducto y alcantarillado de la ciudad de Villavicencio, en los últimos 4 meses que antecedieron a la instalación de la bomba de golpe de ariete se obtuvo un consumo promedio de agua de 10 m 3 y los 2 meses siguientes de dicha instalación en la vivienda, dio como resultado un consumo promedio de 8,5 m 3, es decir una reducción del 15% en dos meses de instalado el ariete hidráulico. 28
5. METODOLOGIA.
5.1 Antecedentes y fundamentación. Se realizó una exploración bibliográfica sobre trabajos, videos e investigaciones anteriores de distintos autores sobre bombas de golpe de ariete, consultando el estado del arte en publicaciones relacionadas con el tema en desarrollo, revisando también información sobre usos del agua y caudales domésticos.
5.2 Clasificación y análisis de información. En esta etapa se clasifico, analizo, y comprendió el fenómeno de golpe de ariete, además se realizó una evaluación de los consumos domésticos en la vivienda donde se instaló el equipo, así como la recopilación de toda la información posible sobre las diferentes explicaciones del funcionamiento de la bomba de ariete hidráulico.
5.3 Diseño. Se realizó una descripción detallada de la máquina con ayuda de un inventario de piezas componentes del sistema, teniendo en cuenta la inclusión de materiales reciclados o de bajo valor comercial, de tal manera que optimice los costos de fabricación y no afecte la eficiencia, durabilidad y calidad del equipo.
5.4 Construcción. Al obtener los materiales después de considerar durabilidad y economía se realizó el ensamble de piezas teniendo en cuenta la optimización y funcionamiento del sistema.
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5.5 Implementación, puesta en marcha y evaluación de consumos: En un domicilio de los autores del respectivo proyecto se instaló la bomba de ariete hidráulico, para su posterior puesta en marcha y así poder evaluar los consumos de gasto de agua, antes y después de instalado el sistemas, cuantificando la reducción del consumo mediante la inspección de los micro medidores, identificando y analizando la diferencia de costos antes y después de la instalación del ariete hidráulico.
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6. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE LA BOMBA DE ARIETE En este capítulo se muestra de manera detallada los diferentes aspectos tenidos en cuenta durante el diseño, construcción y puesta en marcha de la bomba. Se presentara la bomba finamente construida, la estructura de soporte de la bomba de ariete, las pruebas de bombeo, la curva de la bomba y el costo de la misma.
6.1 Bomba de golpe de ariete finalmente construida La bomba de ariete cuenta con un soporte en concreto para que el impacto en la válvula de pie de pozo no se disipé y genere presiones y depresiones más extremas en todo el sistema. Adicionalmente es necesario comentar que la bomba fue ensamblada en hierro galvanizado (diámetro de 1 pulgada) con el fin de evitar que la energía del golpe de ariete se pierda. El ariete se fija a la estructura en concreto mediante 4 abrazaderas metálicas. La configuración de la bomba finalmente construida se puede apreciar en el Boceto 1 y 2, así como en la foto 1.
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Boceto 1. Propuesta final de la bomba de ariete. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño.
Foto 1. Bomba de ariete finalmente construida por los autores del presente documento.
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Boceto 2. Dimensiones de la bomba de ariete finalmente construida. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño.
6.1.1 Estructura de soporte de la bomba de ariete. Se decidió construir una estructura de soporte en concreto para sujetar todos los mecanismos de la bomba, maximizando el impactó del ariete con el fin de no disipar la energía. Las dimensiones de la base son: 40cm de largo X 30cm de ancho y 6cm de espesor tal como se observa en la siguiente imagen.
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Boceto 3. Fabricación de base para el anclaje del ariete
Foto 2. Base del ariete en concreto. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. Construcción realizada por los autores del presente documento.
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6.2 Pruebas de bombeo Una vez construida la bomba de ariete fue necesario comprender su comportamiento, y para esto se diseñó un experimento en el cual se pudo determinar de manera cuantitativa la capacidad de bombeo del ariete. Por tal razón, se establecieron diferentes alturas de entrada (He = 1m, 1,5m, y 2m) y diferentes alturas de salida (Hs= 2m, 3m, 4m y 5m). A continuación se muestra el diagrama de las pruebas de bombeo.
Figuras 10. Montaje para las pruebas de bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño.
.
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Foto 3. Montaje para las pruebas de bombeo finalmente implementado por los autores del presente documento.
6.2.1 Montaje realizado para las pruebas de bombeo Se instaló a la entrada del sistema un pequeño tanque de abastecimiento, del cual se hablará en el numeral 6.2.2, el cual garantizó una altura de entrada He constante. Durante las pruebas de bombeo, se inició con la altura máxima de entrada (He), a 2 metros, y a una altura máxima de salida (Hs) de 5 metros, en dicha salida y con la bomba en funcionamiento, se realizaron aforos de tipo volumétrico con la ayuda de una probeta de 500 ml, y un cronómetro, realizando 5 aforos por cada una de las alturas de salida. Posteriormente se realizó la misma secuencia de actividades en la altura de salida a 2m, 3m y 4. Al terminar con la altura máxima de entrada (2 metros), se procede a cortar la tubería de entrada a una altura de 1.5 metros y se da continuación a la misma dinámica del experimento, los detalles del esquema de montaje se muestran en la siguiente imagen 36
Boceto 4. Montaje para las pruebas de bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño.
Foto 4. Alturas del balde de entrada utilizadas durante las pruebas de bombeo
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6.2.2 Detalle del tanque de abastecimiento utilizado durante las pruebas de bombeo. Para alimentar la bomba se diseñó un pequeño tanque de abastecimiento conformado por un par de baldes concéntricos como se muestra en el Boceto 5 y foto 5. El balde interior es el encargado de garantizar una lámina de agua constante a la entrada de la bomba, de modo que si el nivel del agua aumenta producto de la descarga del balde de alimentación, el exceso es vertido por los orificios de rebose a un balde externo encargado de recoger los excesos de agua.
Boceto 5. Sistema de alimentación diseñado para las pruebas de
bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto
Valero Fandiño. Construcción realizada por los autores del presente documento
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Foto 5. Balde de alimentación utilizado en las pruebas de bombeo. Diseño del profesor Jorge Alberto Valero Fandiño. Construcción realizada por los autores del presente documento
6.3
Resultados obtenidos en las pruebas de bombeo.
De las pruebas realizadas se obtiene una gráfica, la cual describe el comportamiento general de la bomba de ariete finalmente construida. En la siguiente tabla se pueden apreciar los valores de alturas de entrada y salida, así como los caudales de descarga. Cabe la pena recordar que los caudales presentados en la siguiente tabla son el resultado de cinco mediciones para cada combinación de alturas de entrada y salida, que se organizaron sistemáticamente arrojando la siguiente información: He (m)
Hs (m)
Q ( L/ min)
2
5
3,05
2
4
3,96
2
3
4,81
2
2
6,22
1,5
5
2,43 39
He (m)
Hs (m)
Q ( L/ min)
1,5
4
2,93
1,5
3
3,64
1,5
2
4,94
1
5
1,99
1
4
2,40
1
3
2,99
1
2
4,31
Tabla 1. Caudales de He (altura de entrada) VS Hs (altura de
salida).
Graficando los valores de la tabla anterior: 7
6
5 ) n i m / L (
4
Q
3
2
1 2
3
4
5
Hs (m) He=2.0m
He=1.5m
He=1.0m
Grafica 2. Relación entre la altura de entrada (He), altura de salida (Hs) y
el caudal descargado (Q).
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Al realizar los respectivos análisis de la gráfica obtenida se determina:
Hay una relación directa entre la altura de entrada (He) y la eficiencia de la bomba, ya que a mayor altura se dispondrá de mayor energía potencial de entrada, la cual se convertirá en energía cinética y así influir notoriamente en el caudal de salida.
Se observó que el rendimiento en cuanto a caudal elevado disminuye a medida que las alturas de salida van aumentando.
Los datos de caudal a una altura de entrada de 2 metros, tienen una variación con respecto de las alturas anteriores, registrando un caudal superior de salida.
6.4 Puesta en marcha de la bomba La puesta en marcha e instalación de la bomba se realizó en un domicilio, en la ciudad de Villavicencio, departamento del Meta, lugar en el cual se realizaron algunas adaptaciones con el fin de garantizar el suministro de aguas grises provenientes de la lavadora o agua lluvia a la bomba de golpe de ariete, también para contar con un tanque aéreo, el cual por gravedad distribuyera el agua recirculada al punto de interés. Dicha instalación, se desarrolló de la siguiente manera:
Era importante contar con el abastecimiento del tanque que almacenaba agua para el funcionamiento de la bomba, es por esto que se realizó una adaptación en la canal de aguas lluvias de la vivienda, insertando acoples y una válvula de paso que regula el flujo de entrada al tanque para evitar su rebose, conectando
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por medio de una tubería en PVC de ½ pulgada, el canal de aguas lluvias con el tanque de almacenamiento el cual cuenta con una capacidad de 280 litros.
Foto 6. Esquema de captación y almacenamiento de aguas lluvias finalmente implementado por los autores del presente documento.
Las aguas grises provenientes de la lavadora también fueron dirigidas directamente de la manguera de salida, al tanque de almacenamiento de la bomba de golpe de ariete.
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Foto 7. Captación aguas provenientes de la lavadora.
La altura en la cual debia estar instalado el tanque de almacenamiento del ariete hidraulico, es mayor o igual a 1 metro, con base en este requerimiento se fabricaron 2 bases verticales, las cuales servian de soporte a dicho tanque, la ubicación fue horizontal debido a la comodidad para relizar las conexiones de abastecimiento y para la operacion del sistema. Despues de esto se realizó la conexión entre la bomba y el tanque de almacenamiento.
Foto 8. Conexión entre el tanque de almacenamiento y la bomba de ariete.
Por medio de una manguera de ½ pulgada de diámetro, se condujo el agua bombeada por el ariete hidráulico, a la entrada del tanque de abastecimiento aéreo ubicado a 4 metros de altura.
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Foto 9. . Conducción de agua de bomba de ariete a tanque de
distribución.
El tanque aéreo, el cual capta el agua impulsada desde la parte baja por el ariete hidráulico y la distribuye por gravedad, se ubicó sobre una placa de concreto en la cual también se encuentra el tanque de almacenamiento de agua potable de la vivienda.
Foto 10. Tanque de distribución.
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Después de ubicar el tanque de distribución aéreo, se realizó la instalación de la tubería que conduce el agua desde el tanque, a la unidad sanitaria de la vivienda, contando con una válvula de paso la cual se opera manualmente para regular el flujo de entrada al depósito del sanitario evitando perdidas indeseables.
Foto 11 Distribución del tanque aéreo al depósito de la unidad
Con el objetivo de operar el sistema de manera práctica, sin causar charcos de agua provenientes de las pérdidas de la bomba, se fabricó un recipiente que captara el agua expulsada por el ariete y la condujera por medio de una manguera al sifón más cercano.
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Foto 12 Conducción de pérdidas.
Por último se realizaron algunos arreglos de pintura y señalización a las piezas del sistema quedando completamente listo para su operación.
Foto 13 Partes finalizadas.
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Figuras 11. Esquema de instalación bomba de ariete. Diseño elaborado por los autores del presente documento.
Al terminar con la instalación completa, se dio inicio a la puesta en marcha y operación del sistema, el cual consistió en abrir la válvula de entrada en el momento en el que se
presentaran lluvias, o en colocar la manguera de salida de la maquina lavadora dentro del tanque de almacenamiento, es importante resaltar que el sistema opera con los dos tipos de agua, pero es opcional si en cierto momento se quiere operar con agua lluvia o si por el contrario se quiere operar con aguas grises provenientes de la lavadora. Después de tener el tanque de almacenamiento lleno, se abre la válvula de entrada de la bomba de ariete, y al presentarse el sonido característico del funcionamiento de la bomba (golpeteo), se abre la válvula de salida, en ese momento se debe observar que el agua este siendo impulsada a través de la manguera, y suministre agua al tanque aéreo. 47
Después de evidenciar esta secuencia, el sistema funcionará de manera autónoma, con la única condición que el tanque de almacenamiento cuente con suficiente agua. Después de tener el tanque aéreo de distribución con suficiente agua, solo queda abrir la válvula de paso instalada en el baño de la vivienda, y llenar el depósito del sanitario en toda ocasión que sea necesario. Una característica importante es la ubicación del registro de entrada de agua potable del acueducto de la ciudad, el cual se encuentra cerca de la unidad sanitaria, lo que facilita su cierre en el momento en el que se va a suministrar aguas grises o lluvias, permitiendo que el abastecimiento sea solo de este tipo de aguas.
ACUEDUCTO
SISTEMA
Foto 14. Válvula del sistema y del acueducto.
Finalmente y después suministrar suficiente agua al tanque aéreo de distribución, las válvulas de entrada y salida de la bomba de golpe de ariete son cerradas, al igual que el registro de entrada de aguas lluvias, y la manguera de la lavadora, todo esto para evitar saturar el sistema con excesos de agua los cuales generan encharcamientos en el piso de la vivienda lo cual causa incomodidad. 48
6.5 Costos de la bomba En la tabla 2 se muestran los valores de cada uno de los implementos utilizados para la construcción de la bomba de ariete. Nótese que el valor total de la bomba sin contar con la mano de obra es cercano a los doscientos mil pesos ($200 000). MATERIALES
CANTIDAD
Adaptadores para tubo macho Codos de 45° Niple de 40 cm Buching
2 4 1 1 1 4 2 1 1 1 4 1 2 1 1 1 2 4 8 8 1 2
VALOR EN PESOS $3.000 $12.000 $5.400 $2.000 $1.500 $14.400 $4.000 $20.000 $3.000 $7.000 $8.800 $17.000 $7.600 $3.400 $3.000 $15.000 $26.000 $1.600 $800 $800 $10.000 $7.000
1
$10.000
1 1 1 1 1
$1.800 $1.200 $3.500 $6.000 $4.000 $199.800
Acople salida para manguera
Niples de 20 cm Niples de 4 cm Válvula de pie de pozo reformada Copa de una pulgada Adaptador rosca macho Niples de 10 cm Válvula anti retorno T de 45° T de 90° Buching hexagonal Manómetro Válvulas de paso de agua Abrazaderas de tubería Tornillos Tuercas Cámara de aire “extintor” Flaches plásticos Base en concreto para instalar el ariete Buje o buchin pvc rosca Niple pvc de ½” roscado
Válvula de bola pvc Balde de Pruebas Platón de pruebas Valor Total
Tabla 2. Costos de materiales del ariete hidráulico en pesos colombianos agosto de 2015
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7. 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.
Al utilizar el agua lluvia y las aguas grises provenientes de la lavadora, como suministro para la bomba de golpe de ariete, se genera un ahorro de tipo económico y de uso eficiente del recurso hídrico, al reducir el gasto de agua potable en actividades que no requieren agua de este tipo, lo cual da una característica objetiva al sistema desde el punto de vista ambiental.
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. 50
8. 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, al tener en estos depósitos aguas grises provenientes de la lavadora las cuales contienen un nivel de carga orgánica que al estar acumulada y en condiciones óptimas de temperatura, tiende a generar estas molestias. En caso de saberse que el sistema no va estar operando por algún motivo, lo recomendable es evacuar el agua en su totalidad.
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9. REFERENCIAS
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10. ANEXOS
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