FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL “BOMBA ARIETE”
Curso
:
Materiales de Ingeniería
Docente
:
Ing. Otiniano Méndez Santos
Integrantes :
Albites Goigochea, Jenier !íos "ui#ano, Ale#andra $érez %a&l'n, Olen(a Serna )alladares, Jordan Jorda n
Ciclo
:
*urno
:
III *arde
TRUJILLO – PERÚ 2013
BOMBA DE ARIETE 1. Obj! j!"#$%& 1.1 Obj!"#$% Obj!"#$% G'()*% G'()*%&& •
Dise+ar una boba hidr-ulica de Ariete ara el suinistro de agua de
• •
uso agrícola. !educir el coste econ'ico del sistea de riego eléctrico. Sustituir la tecnología de bobas eléctricas & de otor or la boba
•
de Ariete. /liinar el deserdicio de agua en la 0-l0ula de derrae.
1.2 Obj!"#$% Obj!"#$% %+,-",$ %+,-",$%& %& •
Deslazar el uso de la boba eléctrica de la lantaci'n /liinar las consecuentes rearaciones de los e1uios eléctricos & de
•
otor. $roo0er la articiaci'n counitaria en la adinistraci'n
•
energética sustentable de la roducci'n agrícola
2. F/' F/') )' '!$ !$ !( !(", ",$& $& 2.1 4/5 % % *) b$b) b$b) )("!6 2a boba de ariete o ariete hidr-ulico, es una -1uina 1ue aro0echa 3nicaente la energía de un e1ue+o salto de agua ara ele0ar arte de su caudal a una altura suerior4 es utilizada en sectores rurales donde los escasos recursos econ'icos de los obladores hacen diícil el acceso a los sisteas de bobeo con0encionales, debido al alto costo de uncionaiento de los isos. /l rinciio de uncionaiento es sile, un lu#o de agua atra0iesa el cuero del ecaniso con una energía cinética suiciente ara cerrar una 0-l0ula abrutaente, ro0ocando un 0iolento gole4 este gole roduce una sobre resi'n caaz de ele0ar una cierta cantidad de agua a una altura considerable, si bien es cierto estos sisteas de bobeo oseen uchas 0enta#as: Son econ'icos. Sostenibles. De -cil dise+o e instalaci'n. !e1uieren un anteniiento ínio, uncionan las 56 horas del día & los 789 días del a+o. Aun así no son u& eicientes, es decir, la cantidad de agua 1ue bobea es oca, en relaci'n a la cantidad de agua 1ue se ierde. /n este traba#o se ha otiizado el dise+o de una boba de ariete utilizando dos 0-l0ulas de derrae en lugar de una sola, logrando así auentar considerableente la altura de ele0aci'n del agua & el caudal bobeado,
disinu&endo dr-sticaente la cantidad de agua en érdida n'tese 1ue al auentar la cantidad de 0-l0ulas, el derrae tendería a auentar, ero ocurre lo contrario; consiguiendo así un iortante increento en el rendiiento de la boba Figura 1.Diseño de la bomba de ariete
2.2 B(# (%7) 8"%!(",) /n el a+o <=>8, el in0entor rancés Joseh Michel Montgolier, 1ue osteriorente se hizo aoso or el globo aerost-tico 1ue constru&', e?erientaba con el agua 1ue luía r-idaente or los tubos. Descubri' la uerza de roulsi'n del agua al cerrar r-idaente un grio en el e?treo inerior de un tubo. /sta iortante energía de cho1ue 1ue se roducía con cada cierre del grio debía oder ser aro0echada or el hobre, ens' Montgolier. Junto con su herano, dirigía or a1uel entonces la -brica de ael 1ue había corado su adre en Annona&, en el distrito onta+oso & de aguas abundantes de Ardéche. *ras algunos intentos allidos, consigui' dar con los re1uisitos b-sicos ara el dise+o & la construcci'n de un ariete hidr-ulico. /n un tieo en 1ue la gasolina s'lo se encontraba en e1ue+as botellas en la botica, en 1ue toda0ía altaba ucho tieo ara 1ue hubiera corriente eléctrica & la tore -1uina de 0aor acababa de arender a archar, Montgolier odía orecer un disositi0o 1ue eritía bobear agua a la suericie sin necesidad de ninguna energía e?terna. /sto signiicaba 1ue los ueblos & aldeas aislados, 1ue hasta entonces habían tenido 1ue rocurarse el agua con cubos o coches cisterna, or riera 0ez, con un esuerzo considerableente inerior, odrían abastecerse de agua otable. Coo se docuenta en las eorias de atente corresondientes, el ariete hidr-ulico se continu' e#orando durante las décadas siguientes. $ero la r-ctica deostr', a esar de todas las e#oras, 1ue la construcci'n de
arietes se 0eía aectada or uchas inc'gnitas. /l coortaiento de largos de tubo a las secciones de tubo, el coortaiento del deslazaiento 0oluétrico del agua en relaci'n con la cantidad de agua, los caudales luctuantes de las uentes, la coniguraci'n de las 0-l0ulas, el eare#aiento de
ateriales, la
ricci'n interna del
agua & uchos
otros asectos
debían
reconsiderarse ara
cada instalaci'n,
undaentalente a
artir de 0alores
eíricos. @ue s'lo durante el
siglo asado
cuando se constat' de ora correcta su rinciio de uncionaiento. /ntonces ue cuando se deostr' 1ue el ariete es un disositi0o u& cole#o 1ue s'lo uede uncionar a alto rendiiento tras un a#uste reciso de sus coonentes. /n este sentido ue signiicati0a la aortaci'n del ingeniero eerlein de la eresa @ira $ister B 2anghanss, 1uien hizo de los robleas del ariete hidr-ulico el ob#eti0o de su 0ida & en su traba#o siste-tico durante décadas e?lor' las regularidades & estableci' rinciios de construcci'n .Desde siere, el hobre ha bebido el agua de anantial de su entorno. a sido en las 3ltias décadas cuando heos con0ertido en ibebibles la a&oría de las uentes. Con el arguento de las -s siles insecciones de calidad, el suinistro de agua centralizado ha deslazado al ariete. Así es coo el ariete desaareci' de nuestra eoria de ora alaranteente r-ida, or otro lado debido al a0ance arrollador de la electriicaci'n & de la boba centriuga. /n la actualidad asistios a un renacer del interés sobre este artilugio erced a 1ue es eiciente, ecol'gico & u& did-ctico. a 1ue es una -1uina 1ue aro0echa 3nicaente la energía de un e1ue+o salto de agua ara ele0ar arte de su caudal a una altura suerior. Figura2. Esquema del ariete hidráulico diseñado por Joseph Michael Montgolfier, construido con el mismo principio de funcionamiento de los equipos actuales.
2.3 4/5 % * 9$*+ )("!6 /s, oti0ado or el cierre o abertura de una lla0e, grio o 0-l0ula4 tabién uede roducirse or la uesta en archa o detenci'n de un otor o boba hidr-ulica. Durante la luctuaci'n brusca de la resi'n el lí1uido lu&e a lo largo de la tubería a una 0elocidad deinida coo de roagaci'n de la onda de cho1ue. /l cabio de resi'n ro0oca deoraciones el-sticas en el lí1uido & en las aredes de la tubería. /ste en'eno se considera indeseable or1ue causa recuentes roturas en las redes hidr-ulicas de las ciudades & en las instalaciones doiciliarias, & tabién es causante de los sonidos característicos 1ue escuchaos en las tuberías cuando abrios un grio bruscaente en nuestras casas. $or tal raz'n, con recuencia se dise+an 0-l0ulas de eecto retardado o se instalan disositi0os de seguridad. /l cientíico ruso . Ehu(o0s(i 5<; estudi' este en'eno or riera 0ez en su obra Sobre el cho1ue hidr-ulico, coo arte de sus indagaciones hidroaeroec-nicas, 1ue constitu&eron la base te'rica ara la osterior corensi'n del uncionaiento de la boba de gole de ariete o ariete hidr-ulico, lo 1ue deuestra 1ue los en'enos ísicos & los naturales en general; no deben asuirse coo negati0os o ositi0os, sino coo le&es 1ue debeos incororar a nuestro arsenal cogniti0o hacia una ar'nica actuaci'n del hobre en la naturaleza & hacia la lenitud creadora del ser huano. /l Gole roducido en una tubería al cerrar bruscaente una 0-l0ula o grio. Se lo denoina tabién ulso de Jou(oHs(i, llaado así or el ingeniero ruso i(ola& /goro0ich Ehu(o0s(i&. Al cerrar bruscaente una 0-l0ula o un grio instalado en el e?treo de una tubería de cierta longitud, las artículas de agua 1ue 1uedan detenidas son resionadas or las 1ue 0ienen a0anzando detr-s & a3n siguen o0iéndose. /sto causa una sobreresi'n 1ue se deslaza or la tubería a una 0elocidad un tanto enor 1ue la 0elocidad del sonido en el agua. /sta sobreresi'n trae coo consecuencia dos eectos:
<. Se corie ligeraente el agua, reduciendo su 0oluen, & dilatando ligeraente la tubería. Cuando toda el agua 1ue circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el iulso 1ue la coriía &, or tanto, ésta tiende a e?andirse. 5. 2a tubería 1ue se e?ande ligeraente tiende a retoar su diensi'n noral. /stos dos eectos con#untos roducen otra onda de resi'n en sentido contrario. /l agua se deslaza en direcci'n contraria ero, coo el grio est- cerrado, ro0oca una deresi'n en relaci'n a la resi'n noral de la tubería. Cuando se reduce la resi'n, el agua uede asar a su estado gaseoso orando una burbu#a, una celda de aire, ientras 1ue la tubería se contrae.
En las figuras de arriba se pueden obserar los dos momentos del golpe de ariete. /l agua en circulaci'n golea la 0-l0ula o el grio cerrado & rebota. /l rebote contin3a hasta 1ue el agua iacta un unto & la energía de la onda de agua se coienza a distribuir -s unioreente en el sistea de tuberías. /l unto de iacto, 1ue uede ser la cone?i'n entre dos tuberías o en una #unta, genera ese sonido articular de gole 1ue uede escucharse a 0eces en los ca+os.
2.3.1 C)/%)% +$( *) :/ % +($/,& /n general el GO2$/ de A!I/*/ es ocasionado or causas ire0istas coo son: cierres bruscos de 0-l0ulas ante las turbinas, causados or a0erías en los ecanisos de aortiguaiento4 el no uncionar las 0-l0ulas en caso de una descarga brusca del gruo4 el gole de una roca contra la tubería, originando una onda 1ue se transite a lo largo del conducto & uede roducir una rotura en alg3n sitio ale#ado del unto de iacto4 allas en el suinistro de energía 1ue re1uiere una boba ara su adecuado uncionaiento,
1ue obligan al cierre s3bito de la 0-l0ula de retenci'n, ara e0itar el aso del agua hacia la boba. /n in, Cual1uier 0ariaci'n de caudal en un sistea hidr-ulico 1ue obliga al cierre arcial o total de una 0-l0ula o de cual1uier disositi0o de regulaci'n, ro0oca erturbaciones de lu#o, desencadenando el en'eno. 2a 0ariaci'n en el o0iiento del lí1uido se aniiesta b-sicaente con odiicaciones en las condiciones de resi'n & 0elocidad del lu#o, reercutiendo en los dierentes eleentos 1ue est-n en contacto con el luido4 generando esuerzos sueriores a los norales en el lu#o eranente;. Inicialente el luido osee una energía cinética /c 0K. Al disinuir la 0elocidad se reduce la ecuaci'n, transor-ndose en energías 0ibratorias, ondulatorias & en calor. 2as dilataciones & contracciones cíclicas de la conducci'n originan esuerzos de atiga en el aterial del cual est- abricada & ro0ocan los destrozos &a encionados
2.; 4/5 % * )("! 8"(
2.= P("',"+"$ /',"$')"'!$
/l agua rocedente de una uente de alientaci'n <;
desciende or gra0edad or la tubería de alientaci'n o iulso 5; ba#o la acci'n del desni0el en relaci'n con el ariete hidr-ulico ;, con un caudal deterinado " L 1;, & se derraa al e?terior del cuero o ca#a de 0-l0ulas 7; del ariete en una cantidad "; hasta ad1uirir una 0elocidad suiciente ara 1ue la resi'n din-ica
cierre la 0-l0ula de iulso o íetu 6;. /l cierre brusco de esta 0-l0ula roduce el eecto conocido coo gole de ariete, lo cual origina una sobreresi'n en la tubería de alientaci'n
1ue ro0oca la aertura de la 0-l0ula de retenci'n 9;, 1ue erite el aso del agua hacia el interior de la c-ara de aire 8;, ro0oca la coresi'n del aire e?istente & cierta cantidad de agua 1; asciende or la tubería de bobeo o descarga =;. /n ese instante se roduce una ligera succi'n en el cuero o ca#a de 0-l0ulas, 1ue ro0oca una disinuci'n de la resi'n, la aertura de la 0-l0ula de iulso & el cierre de la 0-l0ula de retenci'n. De esta ora se crean las condiciones ara 1ue el roceso se con0ierta en cíclico, con el consiguiente ascenso de una coluna estable de agua hacia el tan1ue ele0ado F;, ediante la tubería de bobeo.
2.=.1 F/',"$')"'!$& /l agua se acelera con su caída a lo largo del tubo de alientaci'n hasta alcanzar una 0elocidad suiciente coo ara 1ue se cierre la
0-l0ula A, entonces se crea una uerte resi'n roducida al detenerse bruscaente el agua. /ste gole de resi'n abre la 0-l0ula % asando un e1ue+o chorro de agua al de'sito hasta 1ue se e1uilibran las resiones. /s en este oento cuando la gra0edad abre la 0-l0ula A & se cierra la %, reitiéndose de nue0o el ciclo. A cada gole de ariete el agua asa al de'sito donde se resuriza el aire. /ste 0oluen de aire hace luir el agua con continuidad or la anguera de ele0aci'n. /l rito suele ser de uno o dos goles or segundo. /l ariete hidr-ulico es una -1uina 1ue ro0oca continuos cierres bruscos de un circuito de agua con aceleraci'n & 1ue aro0echa las sobreresiones ara andar arte del caudal a una gran altura
2.=.1.1 R'""'!$&
h !
5 N,F9
7
6
8
F
<5
N,F<
N.=8
N.8=
N,9=
N,67
N,57
!; /l rendiiento del ariete hidr-ulico reresenta el orcenta#e de agua 1ue se uede bobear en relaci'n al total de la canalizada or el ariete, & 0aría en unci'n de cociente h. Al auentar el 0alor resultante, el rendiiento disinu&e4 en la tabla siguiente uede 0erse c'o 0aría el rendiiento energético
2.=.1.2 L) )*!/() *#),"' >?@ Coo uede deducirse de la tabla anterior, a artir de <5 0eces la altura h;, el rendiiento de los arietes disinu&e en gran edida. /ste detalle no nos ha de desalentar. Aun1ue s'lo subaos a gran altura un < del agua 1ue asa or nuestro ariete, este unciona las F.=8N horas del a+o, P& sin cobustibleQ
2.=.1.3 E* ,)/)* *#)$ >:@& Deende del rendiiento !;, el caudal de alientaci'n ";, el desni0el de traba#o h; & la altura de ele0aci'n ;. 2a ecuaci'n or la 1ue se relacionan es la siguiente:
:R48? Deende del rendiiento !;, el caudal de alientaci'n ";, el desni0el de traba#o h; & la altura de ele0aci'n ;. 2a ecuaci'n or la 1ue se relacionan es la siguiente:
: R48? P$( j+*$& 1 caudal de alientaci'n;
: 0=10032;12= *"!."' 10.20 *"!($%-) 2.=.1.; E* ,)/)* )*"'!),"' ";: /l -ngulo de inclinaci'n del tubo de alientaci'n a; debe estar entre los
Caudal de
2itin.
7N
8N
>N
<5N
59N
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ulgada
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5
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790
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95
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FN
<59
alientacio n" Diaetro
s tubo . a& 1ue tener en cuenta 1ue el agua 1ue se acelera en el tubo de
alientaci'n es el 1ue ro0oca el gole de ariete or lo 1ue ha de tener una longitud, inclinaci'n & di-etro adecuados, sin cur0as ni estrechaientos 1ue ro0o1uen érdidas de carga or rozaiento.
2.
C$'%!(/,,"' "'%!)*),"' H )'!'""'!$
/l ariete necesita ocos cuidados. *endreos 1ue liiarlo cada 0arios eses & cerrar las dos lla0es ara 1ue se 0acíe la -1uina. Así se renue0a la c-ara de aire, 1ue uede llegar a disol0erse en el agua con el aso del tieo U A,,%$ ) "'%/$% H )!(")*% !('$%& /sta tecnología deende de ateriales e?ternos ara su construcci'n or lo 1ue diícilente un roductor la odr- construir en su inca. $ara su ileentaci'n necesita corarla, &a sea a artesanos 1ue las abrican o en centros de distribuci'n. U N,%") "'%/$% H )!(")*% : $ara la construcci'n se utiliza ateriales e?ternos, or e#elo: una ca+ería de acero gal0anizada, un cilindro de acero, tubos de hierro & e1uio de soldadura eléctrica. /ntre las herraientas necesarias est-n: lla0e estilson cangre#a;, lla0e tio corona tenazas, etc. U N,%") )'$ $b()& 2a deanda de ano de obra es ba#a, &a 1ue ara instalar la boba en el río o arro&o, se necesitan unas 5 ersonas & el anteniiento se reiere a antener libre de obstrucciones & de arena la entrada de agua, ade-s de realizar cada 8 eses un recabio de la goa de la 0-l0ula de iulso ea1ue de hule;. U C$'","$'% ,$*9",)% (:/(")%& /s una tecnología 1ue se adata a una gran di0ersidad de condiciones ecol'gicas desde suelos, clia & toograía del terreno.
P(,"+"!),"' )'/)*& /sta tecnología es recoendada ara zonas donde ha& abundante agua ara la roducci'n, rincialente en zonas donde la reciitaci'n es de <9NN a 59NN ilíetros anuales. U D"%+$'"b"*") )9/) ' *) "',)& $ara el uso del ariete es necesario contar con una 1uebrada o un río 1ue sea eranente ara oder hacer un uso 'tio del ariete.
K'!)j)%& <. o re1uiere electricidad, cobustible ni traba#o huano ara su uncionaiento. 5. *odo el e1uio es de ba#o costo & sus iezas son de -cil recabio. 7. !e1uiere un ínio de anutenci'n 6. @unciona auto-ticaente ante un suinistro de agua
R%!(",,"$'%& <. Acceso a la tecnología &a 1ue es oco usada en los aíses de Aérica Central. 5. /l anteniiento es de ucho cuidado ara 1ue no se detenga el uncionaiento.
7. /n la toa de agua no debe haber entrada de aire & el sitio donde se ubica el ariete debe tener un desagVe or el agua 1ue salica. 6. Con alto desni0el de bobeo necesita un caudal grande ara el uncionaiento.
7. Materiales:
6. $rocediiento e?eriental: 6.< /nsabla#e:
4.2 @uncionaiento:
9. Conclusiones. Wna 0ez 1ue se realiz' el dise+o la instalaci'n & ruebas del ariete hidr-ulico se conclu&e 1ue: Se culieron con los ob#eti0os & alcances del ro&ecto. •
•
/l ariete hidr-ulico usa la energía otencial de una caída de agua, ara ele0ar agua a una altura suerior, sin necesidad de utilizar otro tio de
•
energía o alg3n cobustible. 2as rinciales condiciones ara la instalaci'n del ariete hidr-ulico son: suiciente agua ara el abasteciiento, & una caída. 2o 1ue deterina su
•
taa+o & la longitud de tubería a utilizar. 2a 0-l0ula de iulsi'n es la arte 0ital del ariete, se la dise+' de odo 1ue su carrera & su eso uedan ser regulados. Wn eso uerte & un gole largo hacen osible altas tasas de lu#o a tra0és de la 0-l0ula de iulsi'n4 ro0ocando un gole uerte necesario ara bobear grandes caudales. Wn eso e1ue+o & un gole corto, golear-n -s r-idaente
•
& descargar-n a&ores 0ol3enes a caudales -s e1ue+os. 2a c-ara de aire erite coriir & aortiguar el gole de ariete, hace 1ue la corriente sea -s constante a tra0és de la tubería de descarga,
•
con enos érdida or ricci'n. /l ariete hidr-ulico es u& coniable & no resenta diicultad en el anteniiento or lo uede ser instalado en lugares sin energía eléctrica
•
•
& de ba#o recurso técnico. /l n3ero de ciclos 'tio est- dentro del rango 9N & 8N ciclos o goles or inuto. /l rendiiento del ariete est- en el orden del 8N, or lo 1ue su uso es acetable en el aro0echaiento de la energía entregada or la caída del
•
agua. /l sistea rensa estoa utilizado ara asegurar la hereticidad de la boba es de -cil construcci'n, & orece un buen ni0el de cierre.
8. !ecoendaciones: /s necesario 1ue tanto el cuero del ariete coo la tubería de adisi'n sea • lo -s rígido osible caaz de garantizar una buena e?ansi'n de la onda de sobreresi'n, & aro0echar de una anera eiciente el en'eno gole de •
ariete. 2a tubería de iulsi'n & la horizontal de elazaiento del ariete no debe ser a&or a 5NX, debe estar recta, sus uniones heréticas, ara e0itar la
oraci'n de burbu#as de aire & en lo osible de hierro gal0anizado, 1ue erite bobear -s agua a a&ores alturas.
