EPET 21
LABORATORIO DE ENSAYOS DE ENERGÍA III
BOMBA DE ARIETE Principio de funcionamieno
1
2
Bomba de ariete Introducción El suministro de agua ha sido tradicionalmente uno de los principales problemas asociados a las actividades productivas agrícolas, pecuarias e incluso sociales. La infraestructura necesaria para la conducción del líquido siempre implica altos costos iniciales, además de los consabidos costos permanentes que implica el uso de motobombas o electrobombas. Sin embargo, en la bsqueda de alternativas sostenibles de solución de estos problemas nos encontramos con una tecnología mu! interesante. El ariete hidráulico es un ingenioso dispositivo capa" de elevar el agua desde una fuente situada un poco más alta que el mismo hasta alturas considerablemente ma!ores sin la necesidad de motores.
Teoría del golpe de Ariete El golpe de ariete es un fenómeno que puede producirse en tuberías largas, cuando se detiene bruscamente una columna de agua que se despla"a por su interior. #curre en la vida diaria con frecuencia. $n e%emplo de ello es el ruido estruendoso que en ocasiones se produce en instalaciones antiguas, cuando al cerrar una llave retumba la tubería entera. Ese ruido es se&al de que el agua que se despla"aba a una cierta velocidad se ha detenido casi instantáneamente, transmitiendo de golpe la energía cin'tica que poseía. En realidad, no todo el fluido se detiene a la ve", sino que cuando la llave se cierra de golpe, el agua que está en el e(tremo cercano a la llave se detiene, mientras que el agua que circula por el r esto de la tubería se sigue despla"ando a la misma velocidad que tenía antes. En ese momento se produce una onda de choque que parte desde la llave, despla"ándose por el fluido en dirección contraria a su movimiento a una velocidad cercana a la del sonido)c*. Esta onda de choque va deteniendo el fluido a su paso, ! transformando la velocidad que poseía este en un aumento de presión
+
¿Qué es una bomba de ariete? $na bomba de ariete es una máquina hidráulica desprovista de motor, capa" de aprovechar la energía potencial que posee una cantidad de fluido gracias a la sobrepresión producida por el fenómeno del golpe de ariete, para elevar una parte de ese fluido a una altura considerablemente ma!or.
Partes de una instalación de bomba de ariete El esquema básico de una instalación de bomba de ariete consta de varias partes
Fuente de alimentación (1) -uente continua de agua, que normalmente será un río al que le será devuelta unos metros más aba%o el agua descargada por la bomba de ariete. ambi'n puede tratarse de un depósito suficientemente grande, normalmente fabricado de plástico u hormigón. Esta fuente tendrá que proporcionar agua a una altura / por encima del nivel al que se encuentre la bomba de ariete . Esta altura / depende del tipo de bomba con el que se traba%e, así como la altura final a la que se quiera bombear agua ! el rendimiento que busquemos, pero un valor usual puede ser entre 2 ! 0 metros.
Tubería de alimentación (2) ubería larga ! rígida que une el depósito de alimentación con la bomba de ariete. or esta tubería el fluido se va acelerando para llegar a la bomba de ariete con cierta velocidad. or esta tubería se propagarán además varias ondas de choque, por lo que ha de ser resistente ! debe estar bien fi%ada. Es aconse%able que tenga la menor cantidad de codos, estrechamientos e imperfecciones posibles. onviene tambi'n que disponga de un filtro en el e(tremo de la fuente de alimentación, para impedir que posibles partículas de determinado tama&o pasen por ella ! puedan llegar a la bomba de ariete. 3
Tubería de salida o de elevación (3) ubería más estrecha que la de alimentación, por la que el agua se elevará hasta la altura deseada, h. 4o se verá sometida a incrementos demasiado bruscos de presión, por lo que el material más comnmente utili"ado es el plástico. 5lturas frecuentes de elevación son en torno a 3 o 6 veces la altura de alimentación )/*.
Bomba de ariete (4) ie"a más importante ! que estudiaremos más detalladamente. 7ecoge el agua que le llega por la tubería de alimentación ! consigue elevar una parte de ella por la tubería de salida o elevación, a costa del resto, que de%a fluir al e(terior. 5 su ve" se compone de distintas pie"as o partes
Válvula de NR (No Retorno) ambi'n llamada anti8retorno, es una válvula que sólo permite el paso de fluido en uno de los dos sentidos. Esta válvula comunica la ca%a de válvulas con la tubería de elevación, ! su función es abrirse sólo cuando la presión en la bomba sea grande, de forma que en ese momento el agua se eleve por la tubería de elevación, pero cerrarse cuando la presión sea inferior en la bomba que en la tubería de elevación, de forma que el agua no pueda volver aguas arriba de la válvula. Lo más comn es que se trate de una válvula anti8retorno de obturador ascendente con resorte, aunque tambi'n puede utili"arse una válvula anti8retorno de bola.
0
Válvula de choque Esta válvula comunicará el resto de la bomba de ariete con el e(terior, ! su función será de%ar salir el agua al e(terior durante unos instantes, de forma que la columna de agua se va!a acelerando a lo largo de toda la tubería de alimentación, ! pasados estos instantes, cerrarse lo más rápidamente posible para detener el fluido de golpe ! dar lugar a una fuerte sobrepresión. Esta válvula puede encontrarse de muchas ! mu! diferentes f ormas constructivas, pero qui"á la más sencilla sea utili"ando una válvula anti8retorno dada vuelta, de forma que no de%e pasar más de un determinado caudal a su trav's, ! se abra más tarde, debido a su propio peso o a la suma de su peso más un contrapeso adicional.
!a"a de válvulas Esta parte de la bomba es la "ona de unión de la tubería de alimentación con las dos válvulas. En muchos casos no es una ca%a propiamente dicha, sino que pueden ser varias pie"as de unión, incluso el final de la misma tubería de alimentación, pero conviene diferenciarla, !a que los procesos que se llevan a cabo en esta "ona no son los mismos que los de ninguna otra parte.
!ámara de aire o #ulmón Es un peque&o depósito )vaso de e(pansión* que debe haber inmediatamente despu's de la válvula de 47, ! antes de la tubería de elevación, que contendrá un colchón de aire. Este aire tendrá la función de absorber de forma continuada los golpes ! las sobrepresiones a las que se verá sometido en instantes puntuales, ! de liberar esa energía progresivamente durante el resto del ciclo al fluido, el cual se verá a!udado a ser impulsado por la tubería de elevación. Es una forma de amortiguar los golpes ! de proporcionar un caudal de salida más constante.
6
$%#licación básica del &uncionamiento de la bomba de ariete ara entender el funcionamiento básico de la bomba de ariete, vamos a centrarnos en e(plicar el proceso que se llevará a cabo una ! otra ve" de forma ininterrumpida. En primer lugar, encontrándose la válvula de choque abierta, comien"a a ba%ar agua desde el depósito de alimentación por la tubería de alimentación, hasta que llega a la ca%a de válvulas ! sale por la válvula de choque. 5 medida que se acelera el agua, aumenta la fuer"a de arrastre que 'sta e%erce sobre la clapeta de la válvula de choque, hasta que es suficiente para cerrarla de golpe.
5l cerrarse bruscamente la válvula de choque, la columna de agua que se traslada por la tubería de alimentación an posee una gran energía cin'tica. Esta energía cin'tica se disipa a costa de aumentar repentinamente la presión en la ca%a de válvulas.
5l tener la ca%a de válvulas una gran presión, permite la apertura de la válvula de 47 ! el paso de agua desde la ca%a de válvulas hacia la cámara de aire ! a trav's de la tubería de elevación.
uando se igualan las presiones a uno ! otro lado de la válvula de 47, 'sta se cierra cortando el paso del fluído, ! la presión que se ha acumulado en el aire de la cámara es transmitida al fluído, que es elevado por la tubería de salida o de elevación.
asados unos instantes, la presión en la ca%a de válvulas sigue disminu!endo, hasta que la clapeta de la válvula de choque se abre debido a su propio peso ! comien"a a salir de nuevo agua por ella.
9e esta forma, volvemos a encontrarnos en la misma situación que al principio del proceso, repiti'ndose este una ! otra ve" de forma continuada hasta que sea interrumpida voluntariamente, cerrando la llave de paso.
:
e!iniciones de términos empleados ALTURA DE CARGA (H! Llamada tambi'n altura de alimentación, es la caída aprovechable para accionar la válvula que produce el golpe de ariete en la bomba; esta no debe ser inferior a 1metro. El rango de alturas / varía comnmente de 1 a + el cuerpo de la bomba hasta el nivel de la válvula de derrame.
CAUDAL DE AL"#E$TAC"%$ (& ! Es el caudal que proviene desde la fuente de ali mentación hasta la bomba a trav's de la tubería de alimentación.
ALTURA DE DE'CARGA ( ! Es la distancia vertical que e(iste desde el cuerpo de la bomba hasta el tanque elevado.
CAUDAL DE DE'CARGA (q ! Es el caudal que entrega la bomba a trav's de la tubería de salida.
"ondiciones de operación ALTURA DE AL"#E$TAC"%$ H 1m ? / ? +< m
CAUDAL DE AL"#E$TAC")$ & * CAUDAL DE DECARGA q @ A 0 litros B min q ? @B2
RELAC")$ E$TRE ALTURA' DE DE'CARGA * AL"#E$TAC"%$ (+H 3? hB/ ? +<
$U#ER) DE G)L,E' ,)R #"$UT) G,# * T"E#,) DE C"CL) Si el ariete opera con un numero ba%o de golpes por minuto el caudal de bombeo q aumenta . or el contrario, a ma!or numero de golpes, el funcionamiento es mas rápido, con lo que se consigue bombear hasta alturas de descarga ma!ores. El rango para el numero de golpes se reduce así a +< ? CD ? 13<
TU-ER.A DE AL"#E$TAC"%$ 5lgunos autores proponen la siguiente formula para hallar dicha longitud que es Lp= H + <,+.(
h ) H
RE$D"#"E$T) / ara el estudio del rendimiento del funcionamiento de la bomba , se utili"a la siguiente e(presión n=
q.h .1<< )-ormula de 9 5ubuisson* Q.H
9onde n es e rendimiento de la bomba.
F
Traba#o Pr$ctico %& ' uncionamiento de bomba de ariete 01 Completar el cruci2rama 3ertical
• 01 Tu4ería m5s estreca que la de alimentación6 por la que el • •
a2ua se elevar5 asta la altura deseada 71 m5quina idr5ulica desprovista de motor6 capa8 de aprovecar la ener2ía potencial que posee una cantid ad de fluido 91 Relación entre la potencia idr5ulica a la salida : potencia idr5ulica a la entrada1
Hori8ontal
• ;1 ,eque
la v5lvula antiretorno >1 Tu4ería lar2a : rí2ida que une el depósito de alimentación con la 4om4a de ariete1 ?1 35lvula que sólo permite el paso de fluido en uno de los dos sentidos @1 35lvula que comunica el resto de la 4om4a de ariete con el eterior1
;1 "ndicar verdadero o falso1 El golpe de ariete es un fenómeno que se produce en tuberías largas, cuando se cierra suavemente una llave de paso.
La ca&ería de alimentación debe ser fle(ible para absorver las variaciones de presión.
En el fenómeno golpe de ariete, la velocidad que tenía el agua se transforma en diferencia de presión.
La válvula de choque se abre cuando la presion en la bomba es grande.
La bomba de ariete se encuentra a un nivel / por encima de la fuente de alimentación.
La valvula anti8retorno se abre cuando la presion en la bomba es grande.
La descarga de agua se encuentra a un nivel h por encima de la fuente de alimentación.
La cámara de aire o pulmón proporciona un caudal de salida más constante.
La bomba de ariete es una máquina que utili"a la energía potencial del agua para funcionar.
5l aumentar la altura h, la cantidad de golpes por minuto aumenta.
La válvula de choque permite que el auga ascienda por la tubería de elevación
El rendimiento de la bomba aumenta al aumentar la altura h.
+. 7eali"ar una tabla indicando la secuencia de apertura ! cierre de valvulas durante un ciclo del funcionamiento de la bomba. 3. onfeccionar una tabla indicando las venta%as ! desventa%as de utili"ar una bomba de ariete comparado con una bomba convencional.
G
01 ,R)-LE#A 0! Se desea elevar agua desde un arro!o hasta una huerta que se encuentra a 20 metros de altura sobre el nivel del arro!o. El consumo de agua de la huerta es de 1<<<< litros B día. Se mide el caudal de entrada )@* en la bomba de ariete ! se obtiene 1< litros B min. Se dispone de una bomba de ariete, la cual tiene la siguiente curva de rendimiento
alcular a* El caudal de salida )q* b* El rendimiento de la bomba. c* La altura de carga )/* ! la altura de descarga )h*. 61 ,R)-LE#A ;! Se instala la bomba de ariete del problema 1, con una altura de carga )/* de 0 metros ! una altura de descarga )h* de 0< metros. Si el caudal de salida )q* que se necesita de 2< lBmin. alcular a* El caudal de entrada necesario )@*. b* El rendimiento de la bomba.
1<