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DISEÑO Y MONTAJE DE UN SISTEMA DE BOMBEO MEDIANTE ARIETE
HIDRAULICO
SERGIO ALEJANDRO RUBIANO SUÁREZ
JOHN SEBASTIAN CUERVO CONTRERAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, DC
2017
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DISEÑO Y MONTAJE DE UN SISTEMA DE BOMBEO MEDIANTE ARIETE
HIDRAULICO
SERGIO ALEJANDRO RUBIANO SUÁREZ
JOHN SEBASTIAN CUERVO CONTRERAS
Proyecto de grado para optar al título de Tecnólogo Mecánico
Director:
Ing. Yisselle Acuña
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, DC 2017
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NOTA DE ACEPTACIÓN
________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________
Firma del director
________________________ Firma del jurado
________________________ Firma del jurado
Bogotá, 2017
4
DEDICATORIA
Desde el comienzo de la carrera se ha ido atravesando por momentos difíciles y
felices en los cuales la dedicación por esta ingeniería y el apoyo de quienes nos han
acompañado durante cada momento han brindado los recursos morales junto con
todos aquellos necesarios para finalizar una carrera tecnológica en donde no solo
se desea adquirir un título universitario, sino que por el contrario se pretende crecer
de manera integral no solo como profesional sino como ser humano.
Es por eso que este proyecto es dedicado a nuestros padres por haber participado
en nuestra formación desde el inicio de nuestras vidas hasta el día de hoy, los cuales
siempre han tenido las palabras correctas para todos aquellos momentos en los que
es necesario ese tipo de apoyo que solo ellos pueden dedicar.
A nuestros hermanos quienes se han encargado de proporcionar siempre un punto
de vista diferente brindándonos sus experiencias con el fin de crecer cada día en
todo sentido, quienes aparte de ser familiares son amigos en los que más de una
vez hemos necesitado para llegar hasta donde hemos podido llegar sin esperar
nada a cambio.
A todos los docentes que a lo largo de la carrera han puesto su empeño y dedicación
para transmitir sus conocimientos a futuras generaciones con el fin de brindar una
mejor calidad de vida a la sociedad que nos rodea y a nosotros mismos.
Todos los compañeros quienes han sido parte de esta gran experiencia y de este
largo periodo de aprendizaje en donde el trabajo en equipo ha sido fundamental
para lograr cumplir los objetivos de cada proyecto, en cada materia, en cada
semestre y que sin lugar a duda han sido participes de nuestro crecimiento tanto
educativo como personal a lo largo de la carrera.
En general a todas aquellas personas que han estado presentes a lo largo de este
ciclo quienes sin importar la cercanía o la afinidad con la tecnología mecánica han
sido participes de numerosos momentos en los que han brindado sonrisas,
experiencias que siempre valdrá la pena recordar y que nos han enseñado a admirar
y querer esta profesión a tal punto de hacerla parte de nuestras vidas.
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AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Distrital Francisco José de caldas por recibirnos en su institución
llena de calidad y de profesores que tienen la intención de formar los mejores
profesionales del país.
A todos los profesores que desde el principio de la carrera nos dieron las
herramientas y conocimientos básicos necesarios para poder realizar este proyecto
de grado, en especial a nuestra tutora Yisselle Acuña quién nos dios sus
sugerencias y consejos para elaborarlo de la mejor manera.
A todos nuestros familiares, en especial a nuestros padres quienes han sido nuestro
apoyo incondicional en nuestra vida estudiantil y quienes nos han enseñado que
para conseguir lo que queremos debemos trabajar duro.
Al señor Alfonso Giraldo, laboratorista de la facultad tecnológica, quien nos ayudó y
aconsejo en todo el proceso de construcción del proyecto de grado.
A nuestros hermanos quienes se han encargado de proporcionar siempre un punto
de vista diferente brindándonos sus experiencias, con el fin de crecer cada día en
todo sentido, quienes aparte de ser familiares son amigos en los que más de una
vez hemos necesitado para llegar hasta donde hemos podido llegar sin esperar
nada a cambio.
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Tabla de Contenido
1. Planteamiento del problema ..................................................................................... 11
2. Estado del arte ......................................................................................................... 15
Reseña historia del ariete hidráulico ................................................................................ 15
Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones. ......................................... 17
Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete
para el riego de una finca agrícola. .................................................................................. 20
3. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 26
4. OBJETIVOS ............................................................................................................. 29
5. Marco Teórico ........................................................................................................... 30
5.1 Principio del Golpe de ariete ...................................................................................... 30
5.2. Ariete hidráulico ........................................................................................................ 33
5.3. Funcionamiento de un ariete hidráulico ................................................................. 33
5.4. Tipos de Válvulas a Utilizar ....................................................................................... 35
5.5. Tamaño y forma del ariete hidráulico. ....................................................................... 37
5.6. Frecuencia de propagación de la onda de presión .................................................... 38
5.7 Potencia Hidráulica .................................................................................................... 43
5.8 Asientos de las válvulas ............................................................................................. 44
6. Selección del Diseño ................................................................................................ 45
6.1 Caracterización del lugar de trabajo: .......................................................................... 45
6.2 Tipos de materiales a utilizar. .................................................................................... 46
6.3 Forma del ariete ......................................................................................................... 48
6.4 Determinación del tamaño del cuerpo del ariete hidráulico ........................................ 50
6.5. Cámara de aire ......................................................................................................... 51
6.6. Determinación de las válvulas .................................................................................. 56
6.6.1. VÁLVULA DE DESCARGA .................................................................................... 56
6.6.5. VÁLVULA DE IMPULSO: ....................................................................................... 64
6.6.6. Asiento para válvula de impulso ............................................................................. 65
7. Características del ariete hidráulico .......................................................................... 68
8. Fabricación del ariete hidráulico: .............................................................................. 72
8.1 Asientos de las válvulas: ............................................................................................ 72
7
8.2 Vástagos de válvulas: ................................................................................................ 72
8.3 Ensamble del cuerpo del ariete: ................................................................................. 73
8.4. Cámara de aire ......................................................................................................... 76
8.5. Ensamble de visualización y puesta en punto de las partes ...................................... 78
9. Resultados y análisis ................................................................................................ 79
10. Conclusiones ........................................................................................................ 82
11. Bibliografía ............................................................................................................ 84
12. Anexos .................................................................................................................. 86
........................................................................................................................................ 86
........................................................................................................................................ 88
8
Índice de figuras
Figura. 1 POSICIÓN GEOGRÁFICA DE TENA, distancia desde Bogotá D.C. Fuente, google maps. ..................... 13
Figura. 2 QUEBRADA EL ROCIO, sitio de instalación del ariete. Fuente, elaboración propia. ........................... 13
Figura. 3 Ariete hidráulico de John Whitehust. Fuente: dendros.mx, inventos olvidados bomba de ariete ...... 15
Figura. 4 Bomba de ariete mejorada por Montgolfier Fuente: dendros.mx, inventos olvidados bomba de
ariete ................................................................................................................................................................. 16
Figura. 5 Ariete de cuerpo tipo T. Fuente: Carlos Sierra y Gerson Biancha, Análisis del ariete hidráulico para
diferentes configuraciones ................................................................................................................................ 18
Figura. 6 Análisis para la selección de la carrera óptima. Fuente: Carlos Sierra y Gerson Biancha, Análisis del
ariete hidráulico para diferentes configuraciones............................................................................................. 19
Figura. 7 Bomba de ariete con manómetros y la válvula de impulso Tipo Kent Bomba de ariete con
manómetros y la válvula de impulso Tipo Kent Fuente: Javier Ortega Nebra, Construcción, Caracterización
hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola ...................... 21
Figura. 8 Lugar de la EPSH donde se realizó la caracterización hidráulica, Fuente:
http://www.ciencias.unizar.es/ ......................................................................................................................... 22
Figura. 9 Eficiencia del ariete hidráulico con respecto a la altura elevada Fuente: Javier Ortega Construcción,
Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola
........................................................................................................................................................................... 23
Figura. 10 Caudal de entrega del ariete hidráulico con respecto a la altura elevada Fuente: Javier Ortega
Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una
finca agrícola ..................................................................................................................................................... 24
Figura. 11 programación de la onda de presión dentro de una tubería. Fuente, Mecánica de fluidos y
maquinas hidráulicas de Claudio Mataix. ......................................................................................................... 31
Figura. 12 Esquema básico de bombeo mediante ariete hidráulico Fuente: El Ariete Hidráulico: la eficiencia
energética con solera, Página web: http://news.soliclima.com/ ...................................................................... 34
Figura. 13 Válvula regulada por resorte. Fuente, www.industrita3000.blog .................................................... 35
Figura. 14 Válvula anti retorno. Fuente, Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones, por
BIANCHA GUTIERREZ ......................................................................................................................................... 36
Figura. 15 Válvula con pesas encima. Fuente, Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones,
por BIANCHA GUTIERREZ. ................................................................................................................................. 36
Figura. 16 Esquemas de diferentes disposiciones del ariete hidráulico. Fuente, Análisis del ariete hidráulico
para diferentes configuraciones, por BIANCHA GUTIERREZ. ............................................................................. 37
Figura. 17. Esquema según datos de trabajos reales. Fuente, elaboración propia. .......................................... 46
Figura. 18 Relación entre la celeridad y el material de la tubería. Fuente: Javier Ortega Construcción,
Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola.
........................................................................................................................................................................... 48
Figura. 19. Partes del ariete hidráulico. Fuente: Elaboración propia. ............................................................... 49
Figura. 20. Tabla para determinar el tamaño del ariete Guía para la instalación de un ariete hidráulico,
Fuente: www.arietesalba.es. ............................................................................................................................. 50
Figura. 21. Medidas para la cámara de aire del ariete. Fuente, elaboración propia. ....................................... 53
Figura. 22. Sello de la válvula de entrega con dimensiones de fábrica. Fuente del plano, elaboración propia.57
Figura. 23 DCL.1. Válvula de descarga. Fuente, elaboración propia. ................................................................ 60
9
Figura. 24. Cálculo del peso aproximado del vástago de la válvula. Fuente, Discovery inox sac,
Discoverinox.com.pe. ........................................................................................................................................ 61
Figura. 25. Mecanismo válvula de imanes. Fuente, elaboración propia. .......................................................... 62
Figura. 26. Dimensiones del vástago principal de la válvula de entrega. Fuente, elaboración propia. ............ 63
Figura. 27. Dimensiones del vástago secundario de la válvula de entrega. Fuente elaboración propia. .......... 64
Figura. 28. Asiento de válvula de impulso. Fuente, elaboración propia. ........................................................... 65
Figura. 29. Sello válvula de impulso. Fuente del plano, elaboración propia. .................................................... 66
Figura. 30. DCL 2, Fuente: Elaboración propia .................................................................................................. 66
Figura. 31. Cálculo del peso aproximado del vástago de la válvula de impulso. Fuente, Discovery inox sac,
Discoverinox.com.pe. ........................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.
Figura. 32. Dimensiones del disco o peso de la válvula de impulso, fuente: elaboración propia. .............. ¡Error!
Marcador no definido.
Figura. 33. Peso del disco de la válvula de impulso. Fuente, Discovery inox sac, Discoverinox.com.pe. .... ¡Error!
Marcador no definido.
Figura. 34. Isométrico del ariete hidráulico. Fuente, elaboración propia .......................................................... 70
Figura. 35. Plano de ensamble en corte del Ariete Hidráulico. Fuente, elaboración propia. ............................ 71
Figura. 36. Torneado de los asientos de las válvulas. Fuente, elaboración propia. .......................................... 72
Figura. 37. Mecanizado del vástago. Fuente, elaboración propia. ................................................................... 73
Figura. 38. Vástago terminado. Fuente, elaboración propia. ........................................................................... 73
Figura. 39. Posicionamiento del asiento de la válvula en la brida. Fuente, elaboración propia. ...................... 74
Figura. 40. Posición de la válvula en su lugar de trabajo. Fuente, elaboración propia. .................................... 74
Figura. 41. Ensamble general del cuerpo del ariete. Fuente, elaboración propia. ............................................ 75
Figura. 42. Parte inferior de la cámara de aire junto con la guía del vástago de la válvula. Fuente, elaboración
propia. ............................................................................................................................................................... 76
Figura. 43. Cámara de aire terminada. Fuente, elaboración propia. ................................................................ 77
Figura. 44. Ariete hidráulico terminado. Fuente, elaboración propia. .............................................................. 78
Figura. 45. Proceso de posicionamiento y ensamble del ariete en el lugar de trabajo. Fuente, elaboración
propia. ............................................................................................................................................................... 79
Figura. 46. Ariete hidráulico multipulsor Fuente: www.Cubasolar.cu. .............................................................. 81
10
Índice de tablas
Tabla 1 Coeficiente K en función de la longitud de conducción. Fuente, Cálculo golpe de ariete, hidrojing.com
........................................................................................................................................................................... 40
Tabla 2. Coeficiente C en función de la relación entre altura manométrica y la longitud de conducción.
Fuente, Cálculo golpe de ariete, hidrojing.com. ................................................................................................ 40
Tabla 3. Datos según zona de trabajo y requerimientos del propietario. Fuente, elaboración propia. ............ 46
Tabla 4. Elementos del cuerpo del ariete estandarizados. Fuente elaboración propia. .................................... 58
Tabla 5. Asiento de válvula de entrega. Fuente, elaboración propia. ............................................................... 59
Tabla 6. Tabla de imanes estandarizados. Fuente, Dimetales Colombia. Cra 13 No. 21 89 Bogotá. ................ 62
Tabla 7. Fracción de la tabla Fuerza de un imán N35 en barra. Fuente. Catalogo borrachasmgo.com. .......... 63
Tabla 8. Elementos no estandarizados. Fuente elaboración propia. ................................................................. 69
11
1. Planteamiento del problema
En la actualidad el deterioro y agotamiento de las fuentes de energía en el medio
ambiente y la sobreexplotación de los diversos recursos es un problema cada vez
más crítico; Por eso, desde nuestra perspectiva como futuros profesionales es
importante dar soluciones que no solo ayuden a la sociedad en el ámbito
tecnológico, sino que a su vez vayan de la mano con una ética ambiental acorde a
la situación actual no solo del país, sino del planeta entero.
Hoy, en varias zonas rurales del país la obtención de los servicios públicos puede
llegar a ser de difícil acceso o en otros casos demasiado costosos, afectando así a
toda la población que vive en aquellos lugares.
Para los agricultores quienes, en su mayoría, se encuentran en zonas aisladas del
país en donde su situación geográfica favorece la productividad de su labor, pero,
por otro lado, dificulta de diferentes maneras sus actividades es importante crear
sistemas que faciliten la obtención de dichos recursos. Por ejemplo, las fuentes
hídricas provenientes de yacimientos o ríos son de difícil acceso para la mayoría de
estos habitantes ya sea por la calidad de la fuente hídrica, estación climática en la
zona, alcance en cuanto a su proximidad, entre otros. Sin mencionar que las fuentes
de energía en algunas de estas zonas no son completamente estables.
La organización mundial de salud estima que la cantidad de agua para consumo
humano diario es de 50 l/hab. A esto debe sumarse el aporte necesario para la
agricultura, la industria y, por supuesto, la conservación de los ecosistemas
acuáticos, fluviales y, en general, dependientes del agua dulce. Teniendo en cuenta
estos parámetros, se considera una cantidad mínima de 100 l/hab-día.1
1 Ambientum.com. El Consumo de Agua en Porcentajes, Consumo de agua per capita [En línea]. <http://www.ambientum.com/enciclopedia_medioambiental/aguas/el-consumo-de-agua-en-porcentajes.asp>
12
Teniendo en cuenta lo anterior, es que este tema es el de interés, debido a que se
puede hacer un sistema que cumpla con las necesidades de los habitantes de las
zonas apartadas del país, que a su vez sea autosustentable, tenga una vida útil
considerable y que sobre todo a largo plazo se vea un beneficio económico para los
mismos.
Ahora se tomarán dos aspectos importantes de estos costos en este documento:
a. Posición geográfica: En las ciudades el precio del líquido esta dado en la medida
de su estrato socioeconómico y mantenimiento de infraestructura. En algunas de
las zonas retiradas del país no se cuenta con un acueducto, por lo tanto, los
ciudadanos deben obtener el líquido mediante pozos, yacimientos o ríos cercanos
a su residencia. Por lo anterior, estos ciudadanos van a tener que adquirir equipos
que faciliten la obtención del agua necesaria.
b. Equipos necesarios: Para estas personas es necesario la adquisición de equipos
que permitan mover y recolectar el agua tal como tanques de almacenamiento,
tuberías y bombas de impulsión. Esta última es de un valor elevado, puede variar
desde $300.000 hasta $14.000.000 de pesos según la cantidad de líquido y la
distancia hasta la que se moverá. No obstante, estas bombas de impulsión
requieren del uso de energía externa para su funcionamiento, lo cual eleva su coso
aún más.
Este proyecto será desarrollado en un pequeño municipio llamado Tena
Cundinamarca, en él se cuenta con una extensión total de 55 Km2 en donde el
16.5% de su territorio comprende zonas rurales2, además que su economía está
basada en su mayoría por la producción agrícola, se observa la posición geográfica
del lugar según la figura 2.
2 Alcaldía de Tena – Cundinamarca, Nuestro Municipio. Información general. Datos específicos [En línea]. <http://www.tena-cundinamarca.gov.co/informacion_general.shtml>
13
Figura. 1 POSICIÓN GEOGRÁFICA DE TENA, distancia desde Bogotá D.C. Fuente, google maps.
Alejandro Suarez es el propietario de una pequeña finca en el municipio mencionado
en donde se cuenta con agua potable y una conexión eléctrica estable, sin embargo,
el propietario cuenta con una fuente hídrica aproximadamente a unos 30 metros de
su propiedad y desea utilizarla como lo hacen sus vecinos como fuente de agua
para el riego de sus plantaciones y el consumo de sus animales.
Figura. 2 QUEBRADA EL ROCIO, sitio de instalación del ariete. Fuente, elaboración propia.
La ubicación de esta quebrada favorece el abastecimiento de agua a 5 familias del
sector, pero estas personas tienen que movilizarse hasta el lugar que se muestra
en la figura 2, dificultando así su recolección y utilización. El señor Suarez desea
14
que este líquido pueda ser llevado hasta su propiedad, con el fin de optimizar los
procesos de riego y alimentación de sus animales de una manera económica,
ecológica y que no afecte tampoco a sus vecinos. Para lo anterior, se plantean dos
posibles soluciones, el diseño e instalación de un ariete hidráulico para este terreno
en específico o la instalación de una bomba de impulsión de agua. Como se
mencionó anteriormente, se escogió el ariete hidráulico por una serie de
características relevantes del mismo, junto con la consideración de algunas
desventajas de la posible utilización de una bomba de impulsión, esto se retomará
en la justificación del documento.
15
2. Estado del arte
Para el desarrollo del presente proyecto se realizó una recopilación de información
que ayuda a comprender mejor nuestra situación y que al mismo tiempo nos dio
ideas para dar solución al problema planteado anteriormente, para esto, se tienen
en cuenta artículos presentados en bases de datos académicas que contienen
información de proyectos hechos por ingenieros, durante un periodo no superior a
15 años, con el fin de dar algún tipo de aplicación relacionada con el problema
propuesto.
Antes de hablar de las aplicaciones que serán tomadas en cuenta para la ejecución
de nuestro proyecto, se hará una reseña histórica de este dispositivo mecánico:
Reseña historia del ariete hidráulico
Este dispositivo fue diseñado por primera vez por el ingeniero inglés John Whitehust
en 1772, en principio funcionaba accionando un grifo de manera manual en una
tubería conectada a un depósito de abastecimiento situado en una posición más
elevada. Esto provocaba un golpe de ariete lo que permitía elevar el líquido hasta
un tanque a mayor altura que el depósito de alimentación. Ver figura 4.
Figura. 3 Ariete hidráulico de John Whitehust. Fuente: dendros.mx, inventos olvidados bomba de ariete
16
Cuatro años después en 1776 el francés Joseph Montgolfier de acuerdo al modelo
de Whitehust logró automatizar el dispositivo agregando una válvula llamándolo
“belier hidraulque”. Este prototipo fue perfeccionado y patentado en 1796. Para esta
época el uso de la gasolina era algo limitado mientras que la electricidad no llegaba
a la gran mayoría de la población. Es por esto que Montgolfier logró un avance
importante al ofrecer un dispositivo que permitía bombear agua sin necesidad de
utilizar ningún tipo de energía externa, fue tanta la aceptación del dispositivo que
fue utilizado en grandes y famosas edificaciones como el Taj Mahal en la India y el
Ameer de Afganistán.
Figura. 4 Bomba de ariete mejorada por Montgolfier Fuente: dendros.mx, inventos olvidados bomba de ariete
El primer intento de comercialización de la bomba de ariete, como se le conocía en
aquella época, se dio por la compañía Easton durante el siglo XIX en el Reino Unido.
La firma se especializó en la construcción de arietes con fines de abastecimiento de
agua en grandes casas de campo, granjas y para las comunidades de áreas rurales.
17
La llegada de esta bomba hidráulica al continente americano se realizó en el año
1809 en donde los estadounidenses J. Cerneau y SS Hallet patentaron por primera
vez el aparato en la ciudad de Nueva York. Pero fue 23 años después que se
comenzó a conocer a lo largo del país, sin embargo, su importación desde Europa
se dio desde 1843. A partir de este momento se comenzaron a realizar grandes
avances tecnológicos en los motores de combustión interna y motores eléctricos, lo
cual, llevo al desuso de la bomba de ariete. Sin embargo, este elemento ha vuelto
a tomar protagonismo en el mundo actual debido a la importancia de la preservación
y el ahorro de energía del planeta, cabe mencionar que su autonomía y su gran
beneficio económico son otros factores relevantes que influyen en la instalación de
este tipo de bomba.
Dentro de las aplicaciones encontradas tenemos:
Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones.
En este trabajo, Carlos Sierra y Gerson Biancha, estudiantes de la Universidad
Distrital de Santander realizaron un trabajo que tenía parte experimental y otra
teórica, con el cual buscaban determinar la influencia de los diferentes elementos
que se pueden usar para la construcción de un ariete hidráulico, sobretodo en cómo
afectan la eficiencia del mismo.
Para la parte experimental del trabajo, construyeron un ariete hidráulico con cuerpo
tipo T (como se ve en la figura 6), la válvula de impulso utilizada era una en forma
de disco la cual se le agregaba un obturador cónico y un resorte cilíndrico.
Para la válvula de descarga se hizo lo contrario que con la de impulso, en este caso
el obturador era plano y el resorte era cónico. El resorte se seleccionó de esa
manera para que mantuviera centrado el obturador de la válvula.
18
El acumulador o la cámara de presión se construyó con tubos de acero A-36 de
pared delgada. Se construyeron cuatro acumuladores de distintos de 325 ml, 880ml,
1160ml y 1680ml respectivamente.
Figura. 5 Ariete de cuerpo tipo T. Fuente: Carlos Sierra y Gerson Biancha, Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones
La simulación del sistema se hizo haciendo un montaje parecido a los esquemas
básicos normalmente vistos para que el ariete hidráulico funcione, además, se creó
un sistema de retro alimentación para simular que se tiene una cantidad ilimitada de
fluido (que es como debería ser en una aplicación real).
Dentro de los resultados se evidencia claramente que la constante del resorte
influye en la eficiencia del sistema, ya que de esta depende que la válvula de
impulso se cierre rápido o no, es decir, un resorte que provea una fuerza menor
permite que la válvula se cierre más rápido, por lo tanto se genera un golpe de ariete
más fuerte3.
3 Carlos Sierra, Gerson Biancha, Universidad Industrial de Santander, Ingeniería Mecánica, Análisis del ariete hidráulico para distintas configuraciones, Bucaramanga, 2012, Página 60.
19
En cuanto al acumulador, se concluyó que su influencia en realidad es muy mínima
en el sistema, no afecta al ariete y por consecuencia la diferencia de caudal
entregado no es significativa.
Otro factor importante que evaluaron, fue la influencia del tamaño de las válvulas en
la influencia general del sistema, donde se encontró que entre más grande sea el
área de la válvula, mayor será la eficiencia del ariete.
En cuanto el procedimiento teórico, utilizaron la interfaz gráfica de Matlab, en donde
se ingresaron los datos obtenidos experimentalmente para poder realizar un análisis
de las diferentes variables que se evaluaron en el sistema, tales como eficiencia,
caudal perdido, entre otros.
Figura. 6 Análisis para la selección de la carrera óptima. Fuente: Carlos Sierra y Gerson Biancha, Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones
20
Con la figura anterior, tomada del trabajo de los dos autores anteriormente
mencionados, se puede ver que la carrera del resorte afecta de manera
considerable el funcionamiento del ariete, por eso este puede ser considerado uno
de los factores más importantes a tener en cuenta dentro de la fabricación de las
válvulas de impulsión y descarga.
Es por eso que estos dos autores concluyen que las diferentes configuraciones de
los elementos del ariete hidráulico varían significativamente la eficiencia del mismo,
recomiendan hacer un análisis previo y también utilizar un tipo de software que
permita simular alguna de esas condiciones para que sea más fácil definir la manera
en cómo se va a construir el ariete.
Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una
bomba de ariete para el riego de una finca agrícola.
Javier Ortega Nebra de la Escuela Politécnica Superior de Huesca, presenta en su
proyecto final de grado la construcción de un ariete hidráulico que será utilizado
para suministrar el riego de una finca agrícola, mostrando su preocupación debido
a que es un sistema de bombeo que cayó en desuso y del cual es difícil obtener
información o aplicaciones.
Primero describe el funcionamiento y los elementos presentes en un ariete
hidráulico, asimismo detalla cómo se produce el golpe de ariete dentro de una
tubería y las consecuencias que trae para la misma. Este ingeniero muestra las
diferentes variables a tener en cuenta para que el ariete hidráulico tenga un correcto
funcionamiento, por eso da recomendaciones según su recolección de información,
para elegir de manera adecuada el diámetro y material que deben tener las tuberías
de impulsión y descarga, ya que hay que tener en cuenta posibles consecuencias
debido a las altas presiones que maneja este tipo de bomba.
21
La bomba construida fue la siguiente:
Figura. 7 Bomba de ariete con manómetros y la válvula de impulso Tipo Kent Bomba de ariete con manómetros y la válvula de impulso Tipo Kent
Fuente: Javier Ortega Nebra, Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola
El tamaño de un ariete se da en pulgadas y para ese caso se construyó con un
cuerpo de diámetro de dos pulgadas y material acero galvanizado para que la
celeridad de la onda producida por la sobrepresión fuera la más alta posible,
además se escogió una válvula de impulso acorde a las necesidades y que fuera
de fácil montaje.
La instalación de la bomba de ariete la realizo en la cara sur-oeste del edificio Guara
de la Escuela Politécnica Superior de Huesca, los depósitos de almacenamiento
22
eran garrafas ubicados en el tercer piso del edificio, alcanzando así una altura de
3.30 metros sobre la bomba de ariete. 4
La tubería de alimentación fue de acero galvanizado para que favoreciera la onda
de presión, con 5 metros de longitud y 1 pulgada de diámetro, mientras que la
tubería de descarga tenía una longitud de 25 metros de media pulgada de diámetro
y el material utilizado fue polietileno.
Figura. 8 Lugar de la EPSH donde se realizó la caracterización hidráulica, Fuente: http://www.ciencias.unizar.es/
Dentro de sus resultados se puede observar que una de las válvulas de impulso que
utilizó para el ariete se rompió porque no soporto la gran fuerza con la que actuó el
ariete, lo que lo llevo a concluir que este elemento es de los más difíciles de fabricar,
si es que no se tienen las herramientas necesarias para que funcione eficazmente.
Por otro lado, tampoco funcionó una válvula anti retorno puesta como válvula de
4 Javier Ortega Nebra, Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de un afinca agrícola, Proyecto final de carrera, Artículo de la Universidad de Zaragoza. Zaragoza. 2013.
23
impulso, ya que la altura de suministro era elevada, entonces lo que se hizo fue
disminuir dicha altura, lo que hizo que funcionara esta válvula solo por un tiempo ya
que se abría muy poco y terminaba parando la bomba de ariete.
Experimentalmente, también se encontró que la altura de elevación afecta
considerablemente a la eficiencia del ariete hidráulico, tal y como se muestra en la
siguiente imagen tomada del documento de Javier Ortega.
Figura. 9 Eficiencia del ariete hidráulico con respecto a la altura elevada Fuente: Javier Ortega Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola
Ahora, en la figura 10 vemos que el caudal también se ve afectado
considerablemente por la altura de elevación, así el autor concluye que su bomba
de ariete tiene una eficiencia deficiente debido a que el caudal elevado no era muy
alto para dicha altura de elevación.
24
Figura. 10 Caudal de entrega del ariete hidráulico con respecto a la altura elevada Fuente: Javier Ortega Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete
para el riego de una finca agrícola
Además, da posibles causas a tener en cuenta que pudieron ocasionar que no se
tuviera una buena eficiencia, entre ellos están:
- Cierre lento de la válvula de impulso.
- Baja sobrepresión en el cuerpo del ariete.
- Tener en cuenta que es una bomba de ariete casera y muchos materiales que se
usaron, por lo general, no se fabrican para que sean utilizados en la construcción
de un ariete hidráulico.
Para la aplicación en la finca, lo único que se hizo fue elegir un lugar y con base en
ello seleccionar un ariete hidráulico y una bomba que funciona a combustible
fabricados por una empresa, para después hacer una comparación entre los dos
tipos de bomba. Es decir, no se hizo una aplicación física como tal, sino que por el
contrario se hicieron suposiciones de lo que mejor podría funcionar.
25
Por último, el autor concluye que es mejor invertir en dos arietes hidráulicos
ubicados en paralelo debido a que la otra bomba utiliza demasiada gasolina,
además afirma que, aunque la bomba de ariete trabaja muy bien y es constante,
hace falta más estudio teórico porque este tipo de bombas no están tan
generalizadas, por lo tanto, no hay muchas empresas que las fabriquen ya que la
variabilidad de diseños nos ofrece un gran rango de posibilidades y soluciones en
cuanto a la impulsión de agua.
Dentro de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas encontramos que el
estudio del golpe de ariete fue abordado por Julián Restrepo, en donde buscaba
generar energía eléctrica aprovechando las altas presiones generadas al interior de
una tubería por el fenómeno en cuestión5.
5 Julian Restrepo, Evaluación de un sistema de generación de energía usando el golpe de ariete, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, Bogotá DC, 2013.
26
3. JUSTIFICACIÓN
En el desarrollo de la Tecnología Mecánica es importante tener en cuenta que se
usan diferentes tipos de ciencia para el beneficio del individuo, desde hace varios
años, es de vital importancia el aprovechamiento de las energías presentes en el
planeta para completar los procesos que sean necesarios para una sociedad en
continuo progreso económico, tecnológico y social, pero hoy en día estos recursos
se deben utilizar de la manera correcta, para que sean funcionales y al mismo
tiempo amigables con el medio ambiente.
En Colombia la mayor parte de la energía que se consume proviene de
hidroeléctricas y plantas térmicas. Pero esta energía no está al alcance de todos los
colombianos, según un estudio de la Superintendencia de Servicios Públicos en el
2012, el número de usuarios de energía eléctrica en las zonas no interconectadas
(ZNI) aumento a un 21,5%6 . Esto indica que no el 100% de la población del país
cuenta con una conexión eléctrica estable. Es por eso que es necesario la
implementación de equipos tecnológicos que sean autosuficientes o que no
necesiten de la utilización de la energía para su funcionamiento.
Las zonas rurales de nuestro país cuentan con fuentes hídricas que son
frecuentemente utilizadas para la agricultura, ganadería y consumo. Los pobladores
de este tipo de región no siempre se encuentran cerca a estas fuentes y por ello
requieren desplazarse largas distancias o instalar equipos como bombas de
impulsión para recolectar el líquido. Estas bombas de impulsión en la mayoría de
los casos son de un costo elevado y necesitan una fuente de energía para su
funcionamiento la cual puede llegar a ser muy limitada debido a la lejanía de la zona
rural en la que debe ser instalada.
6 Superintendencia de Servicios públicos, Estudio sectorial de energía eléctrica, Gas y Petróleo, Superservicios, Bogotá DC, 2012
27
Por eso, nuestra investigación y aplicación como solución a este tipo de
inconvenientes se centra en un ariete hidráulico, el cual es un dispositivo que
permite la impulsión de agua mediante la energía hidráulica presente en una
quebrada, yacimiento o rio.
Es necesario aclarar que no es posible utilizar este dispositivo en todos los
escenarios, puesto que es un requisito tener una serie de parámetros geográficos
para su instalación, es por eso que es importante para este proyecto realizar una
caracterización de las condiciones en donde se va a realizar la instalación. De
acuerdo con lo anterior, y conociendo que la utilización del dispositivo es viable, se
consideran las siguientes ventajas del uso de un ariete hidráulico.
- No hay ningún gasto de energía eléctrica.
- No hay alteración del entorno natural debido a que no es necesario el represamiento
del líquido.
- Impulsará el líquido agua hasta el lugar deseado en poco tiempo y sin ningún
esfuerzo humano.
- No requiere un mantenimiento de gran costo monetario.
- Cuenta con una vida útil alrededor de 10 años.
Ahora bien, podría considerarse que el diseño y fabricación de un ariete hidráulico
puede ser más tedioso que sencillamente buscar y adquirir una bomba de impulsión,
es decir, este dispositivo al no estar estandarizado nos obliga a diseñar y construir
cada uno de sus elementos lo que de alguna manera altera su costo y la facilidad
de su comercialización, mientras que la búsqueda de una bomba de impulsión que
opere en ciertas condiciones no requiere de mayor estudio además que estas
últimas son construidas en serie y para todo tipo de requerimientos.
A continuación, se muestran algunas de las razones porque no se utiliza una bomba
de impulsión para el caso del señor Suarez.
28
- Requiere un alto consumo de energía ya sea eléctrico o de combustible
- Alto costo de adquisición.
- Requiere mantenimiento de personal calificado.
- De acuerdo al sitio de instalación en el municipio no se tiene una fuente de energía
accesible y estable para la bomba.
Finalmente, es preciso mencionar que este proyecto se encuentra enmarcado en
los ejes de trabajo del Grupo de energías alternativas (GIEAUD) y su semillero SEA.
29
4. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Realizar el diseño y montaje de un sistema de bombeo mediante ariete hidráulico
para las condiciones presentes en una finca ubicada en Tena, Cundinamarca.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Realizar la caracterización de las condiciones físicas del lugar donde será instalado
el ariete hidráulico y los requerimientos del propietario de la finca.
- Desarrollar los respectivos cálculos matemáticos del ariete hidráulico.
- Fabricar e instalar el ariete.
- Evaluar el funcionamiento del sistema hidráulico propuesto.
30
5. Marco Teórico
5.1 Principio del Golpe de ariete
Este fenómeno es el componente principal de este proyecto debido a que a partir
de él se da el funcionamiento del ariete hidráulico. Consiste en la alteración o
variación continua de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento
oscilatorio del fluido, en este caso el agua al interior de una tubería o de un
elemento. Por lo general, es necesario considerar que debido a que el golpe de
ariete es un fenómeno transitorio se debe tener en cuenta que es de régimen
variable en donde la tubería ya no es rígida y el líquido es compresible.
Para seguir con la explicación de este término es necesario conocer las siguientes
definiciones:
- Régimen Variable: Las propiedades del fluido y sus características mecánicas
serán diferentes en el tiempo y en el espacio.
- Fluido compresible: En donde hay un cambio de densidad de un punto a otro,
que no es despreciable.
El Golpe de Ariete se produce al cerrar o abrir, apagar o poner en marcha una
válvula o maquina hidráulica; aunque en algunos casos se puede producir cuando
se regula el caudal bruscamente.
31
Figura. 11 programación de la onda de presión dentro de una tubería. Fuente, Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas de Claudio Mataix.
Como se muestra en la figura se cuenta con una tubería de longitud L y diámetro D
por la que circula agua. Si se cierra la válvula rápidamente, considerando el principio
de conservación de la energía, al disminuir la energía cinética, está se va
trasformando en un trabajo de compresión del fluido que llena la tubería y el trabajo
necesario para aumentar esta misma. Por el contrario, si se abre bruscamente la
válvula se obtendrá una depresión, es decir, un golpe de ariete negativo.
Para la figura anterior se divide el fluido imaginariamente en rodajas, como estas
van a una cierta velocidad y al ir cerrando la válvula se creará sobre ella una onda
de presión con velocidad c la cual tendrá dirección contraria a la del fluido j.
Entonces se ha creado una onda que viaja desde la válvula hasta el embalse y
volviendo a la válvula sucesivamente, por lo anterior, la tubería tendrá a expandirse
y contraerse con el paso de la onda, teóricamente el movimiento oscilatorio
continuará indefinidamente y la deformación de la tubería junto a la viscosidad del
fluido hará que se disipe la energía.
En la actualidad existen dos fórmulas dadas para los casos más frecuentes en la
práctica, para cierre instantáneo y cierre parcial. Las cuales permiten el cálculo de
la sobrepresión en la válvula:
32
Formula de Joukowski:
Para cierre instantáneo de la válvula:
∆𝒑 = 𝝆𝒄𝒗 (Ec. 1).
Para cierre instantáneo parcial de la válvula:
∆𝒑 = 𝝆 𝒄(𝒗 − 𝒗´) (Ec. 2).
Donde:
Δp = Cambio de sobre presión de la válvula
𝝆= Densidad del fluido
C = Velocidad de propagación
V= Velocidad inicial del fluido
V ´= velocidad final del fluido
Formula de Joukowski para la velocidad de propagación de la onda de presión
en una tubería:
𝒄 =√
𝑬𝒐
𝒑
√(𝟏+𝑬𝒐𝑫
𝑬𝜹) (Ec.3)
C = Velocidad de propagación
Eo = Modulo de elasticidad de volumen del fluido
P= Densidad del fluido
E = Modulo de elasticidad de la tubería
𝛅 = Espesor de la tubería
33
5.2. Ariete hidráulico
El ariete hidráulico es un dispositivo que tiene como fin elevar cierto líquido (en
nuestro caso agua), sin la necesidad de utilizar energía eléctrica o algún tipo de
combustible. La energía que se usa para poder transportar el líquido es en este
caso, la producida por una corriente de agua cuando es cortada bruscamente,
mediante el fenómeno llamado golpe de ariete.
Pero esta energía no se produce por sí sola, básicamente lo que necesitamos es
una diferencia de alturas entre el sitio donde ubicaremos el ariete hidráulico y la
toma de agua, que puede ser una quebrada o algún arroyo, lo que pasa con esta
diferencia de altura es que la energía potencial que tiene el agua cuando sale se
transforma en energía cinética, y esta a su vez es aprovechada por el ariete para
poder bombear el agua a diferentes alturas.
5.3. Funcionamiento de un ariete hidráulico
Dentro del funcionamiento del ariete hidráulico es importante mencionar, aparte de
la energía del fluido, que su rendimiento va a depender mucho de la válvula de
descarga y de la válvula anti retorno incluidas al interior del ariete.
Dentro del esquema básico para el funcionamiento del ariete tenemos varias partes,
principalmente está el suministro (algún arroyo o quebrada donde haya flujo de
agua), segundo la tubería de alimentación y de descarga del ariete, donde la de
alimentación tendrá un diámetro mayor que la otra, el tanque de depósito y por
último el ariete con sus respectivas válvulas.
34
Figura. 12 Esquema básico de bombeo mediante ariete hidráulico Fuente: El Ariete Hidráulico: la eficiencia energética con solera, Página web: http://news.soliclima.com/
El proceso que pasa poder elevar el líquido para la altura requerida es el siguiente:
- Se toma agua desde el depósito de abastecimiento hasta el ariete, como hay una
diferencia de alturas la energía potencial del principio se convierte en energía
cinética.
- Cuando el agua llega a una velocidad determinada, la válvula de descarga se cierra
súbitamente, provocando una sobrepresión al interior del sistema, este fenómeno
es llamado Golpe de ariete, haciendo que el agua forcé a la válvula anti retorno a
abrir.
- Posteriormente el agua sube por la tubería de descarga utilizando la energía
generada anteriormente, ya que la energía cinética que venía en un principio se ha
convertido en energía de presión.
35
5.4. Tipos de Válvulas a Utilizar
- La mayoría de bombas de ariete utilizan válvulas con resorte que varían en su
carrera, la utilización del resorte permite que el obturador o el tapón que se usa para
impedir el paso del agua (en el caso de la válvula de impulso) vuelva a su posición
inicial y así se comience un nuevo ciclo, el problema con los resortes es que
requieren de un mantenimiento más continuo que otro estilos de válvulas, por lo que
el costo sería una variable a tener en cuenta en un mediano plazo, aunque dentro
de sus ventajas podemos ver que estas válvulas pueden estar dispuestas de
manera vertical u horizontal.
Figura. 13 Válvula regulada por resorte. Fuente, www.industrita3000.blog
- También son muy utilizadas las válvulas anti retorno, sobretodo en la válvula de
descarga para garantizar que el fluido impulsado no se devuelva al cuerpo del ariete,
cuando este tipo de válvulas se utilizan en la de válvula de impulsión lo que se hace
es cambiar el sentido de la misma para que el agua cierre la válvula y una vez la
presión se disipe vuelva a su posición inicial.
36
Figura. 14 Válvula anti retorno. Fuente, Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones, por BIANCHA GUTIERREZ
- Otra posibilidad que existe es que la válvula anti retorno para la descarga se haga
con un caucho natural reforzado con lona, que además de garantizar el paso del
fluido, proporciona un buen sello entre las superficies con las cuales tiene contacto.
- También es visto que en las válvulas de impulsión se utilicen pesas, esto para que
se pueda regular la carrera de la válvula y la velocidad de cierre, el problema que
tienen es que para que la operación sea óptima deben estar acomodadas
verticalmente y así actúen por efecto de la gravedad.
Figura. 15 Válvula con pesas encima. Fuente, Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones, por BIANCHA GUTIERREZ.
37
5.5. Tamaño y forma del ariete hidráulico.
- El cuerpo del ariete es la parte más importante del ariete hidráulico debido a que es
el que contiene los componentes que hacen posible el funcionamiento de esta
bomba, por eso su selección y tamaño es de gran importancia, entre más grande
sea el tamaño del cuerpo de la bomba más cantidad de agua admitirá, por lo tanto,
la presión generada al interior del ariete será mayor.
- En cuanto a la forma del cuerpo, se puede ver que existen distintas configuraciones
del ariete hidráulico donde varían las disposiciones de las válvulas de impulsión y
de descarga como se ven en la siguiente imagen:
Figura. 16 Esquemas de diferentes disposiciones del ariete hidráulico. Fuente, Análisis del ariete hidráulico para diferentes configuraciones, por BIANCHA GUTIERREZ.
38
- Como se observa, generalmente se usan estos 3 tipos de configuraciones para el
ariete hidráulico, en el ariete tipo árbol vemos que se pueden alternar la posición de
las dos válvulas, siempre y cuando se dispongan en sentidos distintos, es decir, que
la válvula de impulso puede estar hacia abajo mientras la de descarga esta hacia
arriba o al revés.
- El ariete tipo F tiene como particularidad que las dos válvulas están en el mismo
sentido y como se ve en los esquemas se puede alternar el orden de las mismas.
- En las dos configuraciones antes mencionadas la onda de presión se devuelve y
choca por las paredes internas del cuerpo del ariete hidráulico hasta buscar la salida
por medio de la válvula de descarga.
- En el ariete tipo T se muestra que las válvulas de impulsión y descarga están en la
misma dirección, pero en sentido opuesto, la válvula de impulso siempre se
encontrara en la parte baja, mientras que la de descarga estará en la parte de arriba,
la onda de presión generada en este tipo de configuración se devuelve y sale
directamente por la válvula de descarga.
5.6. Frecuencia de propagación de la onda de presión
El golpe de ariete presenta una frecuencia debido a que es un fenómeno oscilatorio,
esta depende de la longitud de la conducción en la instalación y de la celeridad de
la onda. Para calcularla se tiene la siguiente relación:
𝑓 =2∗𝐿
𝑎 (Ec. 3).
Donde L = Longitud de la instalación
a = Celeridad de la conducción
Celeridad:
La celeridad para la mecánica de fluidos es la velocidad de propagación de la onda
de presión a través del agua contenida en la tubería, su valor depende
39
principalmente de las características geométricas y mecánicas de la conducción, su
cálculo está dado por la siguiente ecuación.
𝑎 =9900
√48.3+𝐾𝐷
𝑒
(Ec. 4).
- K= Coeficiente que depende del módulo de elasticidad del material.
- 𝑘 =1010
𝐸
E= Modulo de elasticidad del material.
D= Diámetro de tubería.
e= Espesor de tubería.
Tiempo de parada del agua:
Este es el tiempo que dura la variación de la velocidad desde el momento en que
se anula el flujo del agua, la expresión que se usa para calcular este tiempo,
principalmente para impulsiones es:
𝑇 = 𝐶 + 𝐾∗𝐿∗𝑣
𝑔∗ 𝐻𝑚 (Ec. 5).
Dónde:
C y K = Coeficientes de ajuste experimentales
L = Longitud de la instalación
v = Velocidad del agua en la instalación
g = Aceleración de la gravedad
Hm = Altura manométrica de la instalación
Para K se tiene unos valores redondeados para facilitar la aplicación:
40
L(m) K
<500 2
=500 1,75
500<L<1500 1,5
=1500 1,25
>1500 1
Tabla 1 Coeficiente K en función de la longitud de conducción. Fuente, Cálculo golpe de ariete, hidrojing.com
Mientras que el valor de C se puede determinar con la siguiente relación y tabla:
𝑖 =𝐻𝑚
𝐿% (Ec. 6).
I C
<20% 1
=25% 0,8
=30% 0,6
=40% 0,4
>50% 0
Tabla 2. Coeficiente C en función de la relación entre altura manométrica y la longitud de conducción. Fuente, Cálculo golpe de ariete, hidrojing.com.
41
Longitud critica de la instalación
La longitud crítica de la instalación se puede determinar en relación con la velocidad
de propagación de la onda y el tiempo de parada del agua, su expresión es la
siguiente:
𝐿𝑐 =𝑎∗𝑇
2 (Ec. 7).
El valor de la longitud crítica nos permitirá determinar con que ecuación debemos
calcular el golpe de ariete ya que para cierres lentos donde L<Lc el cálculo de la
presión es:
𝐻 =2∗𝐿∗𝑣
𝑔∗𝑇 (Ec. 8).
Pero si el cierre es rápido, es decir, L>Lc el cálculo es el siguiente:
𝐻 =𝑎∗𝑣
𝑔 (Ec. 9).
Perdidas Por Fricción
Son las pérdidas de presión o energía que se producen en un fluido debido a la
fricción de las partículas del fluido contra las paredes de la tubería que la conduce.
Para calcular dichas pérdidas se usa la siguiente ecuación:
ℎ𝑟 = 𝑓𝑙 ∗ 𝑣2
𝑑 ∗ 2 ∗ 𝑔 (𝑒𝑐 10)
Donde:
- f: Factor de fricción adimensional.
- l: Longitud de la tubería en metros.
- v: Velocidad del fluido.
- d: Diámetro de la tubería.
- g: aceleración de la gravedad.
42
Para obtener el factor de fricción es necesario utilizar el Diagrama de Moody (se
encuentra en los anexos), deben conocerse los valores del número de Reynolds y
de la rugosidad relativa. Para calcular el número de Reynolds se usa:
𝑅𝑒 =𝑣𝑑
𝑣𝑐 (𝑒𝑐 11)
Donde:
- v= velocidad del fluido
- d= Diámetro de la tubería
- Vc= viscosidad cinemática del fluido
Mientras que la rugosidad relativa se puede obtener de la siguiente forma:
∈ 𝑟 =𝑑
∈ (𝑒𝑐 12)
Donde:
- d = Diámetro de la tubería
- ∈ = Rugosidad absoluta del material de la tubería que se puede encontrar
en tablas.
Perdidas por accesorios
Son perdidas de energía o presión que se generan cuando hay cambios de sección
a lo largo de la tubería, o cuando en la dirección del flujo hay obstrucciones como lo
son las válvulas, los codos, las tees, etc. Para calcular estas pérdidas se usa la
siguiente ecuación:
ℎ𝑚 = 𝑘𝑣2
2𝑔(𝑒𝑐 13)
Donde:
- k: coeficiente de pérdidas del correspondiente accesorio.
43
- v: velocidad del fluido a través de la tubería.
- g: aceleración de la gravedad.
En la sección de anexos se colocarán algunos valores de coeficientes de pérdidas
para los correspondientes accesorios
Cálculo de la cámara de aire
La cámara de aire está ubicada justo encima de la válvula de descarga o entrega
del ariete hidráulico, y esta debe ser capaz de comprimir y amortiguar el pulso de
presión, además el funcionamiento adecuado de la bomba también se logra cuando
el nivel de agua dentro de la cámara de aire está por encima de la tubería de
descarga.
Para el cálculo del volumen de la cámara se tiene en cuenta la información
consultada en la referencia (9) quienes usan la siguiente ecuación:
𝑉𝑐 = (1 + 𝑥)𝐷𝑣(ℎ + ℎ𝑟)
10.33𝑥 (𝑒𝑐 14)
Donde:
- X = Factor que se asume para una variación de presión en la cámara
- Dv= Máximo caudal de bombeo
- h= Altura de entrega
- hr= Altura de pérdidas en la entrega
5.7 Potencia Hidráulica
La potencia de cualquier dispositivo hidráulico está definida como la potencia útil
por unidad de tiempo que se le suministra a un fluido, con ello podemos encontrar
dicho dato con la siguiente expresión:
44
𝑃ℎ = 𝛾 ∗ 𝑄 ∗ ℎ (𝑒𝑐 15)
Donde:
- Ph = Potencia suministrada en vatios.
- ᵞ = Peso específico del fluido (n/m^2)
- Q = Caudal suministrado al fluido (m^3/s)
- h = Presión suministrada al fluido (m)
5.8 Asientos de las válvulas
Es el mecanismo encargado de detener progresivamente la columna de agua. El
diámetro del asiento debe ser de al menos el mismo al de la tubería del fluido.
Otro de los factores fundamentales para la determinación del asiento de una válvula
es el material de fabricación el cual, varía de acuerdo a la aplicación y al tipo de
fluido que se maneja.7
7 Diseño y construcción de una bomba de ariete hidráulico, Cristian Napoleon Campaña Calero, Quito julio 2011 página 114
45
6. Selección del Diseño
Antes de comenzar como tal con el diseño y fabricación del ariete es necesario
conocer de manera clara los requerimientos del dispositivo. Esto se hará en primera
instancia con la caracterización del terreno y las condiciones de trabajo a las que
será sometido el ariete según la necesidad del propietario del terreno.
6.1 Caracterización del lugar de trabajo:
Como se mencionaba anteriormente el ariete será posicionado en Tena
Cundinamarca, el cual está situado a 64 kilómetros de la capital del país con una
altura de 1384 m.s.n.m. y con una población de un poco más de 8941 habitantes.
Tena posee dos fuentes hídricas importantes en sus cercanías como lo son el Rio
Bogotá y la quebrada La Honda, lo que permite un futuro campo de trabajo para la
instalación de arietes hidráulicos siempre en cuando las condiciones del terreno
sean las adecuadas.
Don Alejandro Suarez propietario del terreno en donde será instalado este
dispositivo cuenta con un tanque de agua de 1000 litros y comenta que su visión de
este proyecto es llenar este espacio en un día con el fin de cumplir sus propósitos
personales, en pocas palabras se necesitara que llegue una cantidad de 0.6945
LPM para que esta condición se cumpla, esto es lo que llamaremos caudal de
entrega. Para conocer el caudal de alimentación (el que es dado por la quebrada)
se tomó un pequeño recipiente y se contabilizo el tiempo en el cual se llenaba dicho
recipiente, las tomas promediaban una caudal de alimentación de Q = 82.3 LPM.
Después de asistir al terreno se tomaron otros datos, como la altura de elevación y
el desnivel de trabajo que se describen de una mejor manera en la siguiente figura
e imagen:
46
Figura. 17. Esquema según datos de trabajos reales. Fuente, elaboración propia.
Caudal de alimentación Q= 82.3 LPM
Desnivel de trabajo H= 2m
Altura de elevación h= 50m
Caudal de entrega q= 0.6945 LPM = 1000L/día
Tabla 3. Datos según zona de trabajo y requerimientos del propietario. Fuente, elaboración propia.
6.2 Tipos de materiales a utilizar.
En un principio se pensó en hacer el ariete hidráulico completamente en acero
inoxidable, ya que esto le daría una vida útil mucho más prolongada a todo el
dispositivo, pero se desistió de esta idea debido al costo de los materiales, a la
47
dificultad que tiene el mecanizar este tipo de material y a que esto haría al ariete
mucho más pesado.
Por otra parte, un material muy utilizado en la fabricación del ariete hidráulico es el
PVC, aunque este se hace en dispositivos de menor magnitud debido a que las
presiones no son tan altas, entonces por lo menos para el cuerpo del ariete no se
tuvo en cuenta desde un principio, pero es una buena posibilidad para utilizar en la
tubería de alimentación, ya que por ser tubería lisa las pérdidas en el sistema en la
entrada son bajas.
En general para el ariete hidráulico se utilizó acero galvanizado debido a su bajo
peso en comparación con el acero inoxidable, es un material resistente a la
corrosión y a la abrasión, lo que quiere decir que es un material que también nos
proporcionara gran durabilidad y resistencia, proporcionándonos así una buena
resistencia a las grandes presiones que se darán al interior del ariete hidráulico,
aunque para ello también es necesario que las juntas del ariete queden muy bien
selladas.
Además, el material de la tubería influye directamente en la celeridad y está es la
que determina el aumento del valor de la sobrepresión producida. Por eso se
muestra en la siguiente imagen como para un mismo diámetro, la celeridad
aumentará o disminuirá según el tipo de material que escojamos y como vemos, el
acero galvanizado posee ventajas en cuanto este aspecto con respecto a los otros
materiales mostrados en la gráfica:
48
Figura. 18 Relación entre la celeridad y el material de la tubería. Fuente: Javier Ortega Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola.
6.3 Forma del ariete
De acuerdo a la figura 16 del marco teórico existen tres formas de arietes, tipo árbol,
F y T. En este caso se utilizará el ariete tipo F debido a la disposición de la válvula
de impulso y la de entrega permiten un mejor posicionamiento del ariete y posterior
fijación del mismo en la zona de trabajo.
Además, el ariete tipo F se conoce como el ariete universal debido a que es uno de
los más utilizados por la gran eficiencia que presenta y a los elementos
estandarizados que existen para hacer más fácil y menos costosa su fabricación
como lo son Tes, codos etc.
49
Figura. 19. Partes del ariete hidráulico. Fuente: Elaboración propia.
En la anterior figura se observa el diseño preliminar del ariete hidráulico. Aunque
aún no se cuenta con ninguna cota dimensional se sabe que es un ariete tipo F y
se desea utilizar elementos como bridas, codos, niples y tees, con el fin de que la
fabricación del mismo sea más versátil y disminuya los costos.
El ariete contará de tres partes principales:
1. Cuerpo del ariete: Comprende el codo de 45o, codo de 90o, Tee y los niples. Se
considera cuerpo del ariete porque es la parte fundamental del mismo en donde se
dará la circulación del fluido y en donde se situarán otras partes fijas y móviles como
la cámara de aire y las válvulas respectivamente.
50
2. Cámara de aire: Uno de los elementos de mayor tamaño del ariete y el cual juega
un papel importante dentro del funcionamiento del mismo debido a que ayuda a una
continua entrega de agua a una tasa estable.
3. Válvulas: Partes de menor tamaño, pero de gran importancia debido a que cortan
o permiten el paso del fluido a través del dispositivo generando todas las
condiciones posibles para el correcto funcionamiento del ariete.
6.4 Determinación del tamaño del cuerpo del ariete hidráulico
Para la determinación del tamaño del cuerpo del dispositivo se procedió a consultar
tablas de algunos fabricantes de este tipo de bombas, la determinación del tamaño
depende de la altura de caída, la altura de elevación y de los caudales de entrega y
de suministro que se tienen en el lugar de la instalación:
- Tablas arietes alba:
Para la determinación del tamaño con las tablas de este fabricante se debe tener
en cuenta el caudal que nos está dando la fuente de donde tomaremos el agua, la
tabla es la siguiente:
Figura. 20. Tabla para determinar el tamaño del ariete Guía para la instalación de un ariete hidráulico, Fuente: www.arietesalba.es.
51
Como vemos, para las condiciones de nuestra instalación que son 82,3 LPM se
debe seleccionar un ariete de 3 pulgadas de diámetro, y por lo tanto una tubería de
descarga de 2 pulgadas.
Ahora para determinar el caudal de entrega el fabricante recomienda utilizar la
siguiente ecuación:
𝑞 = 2 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻
3 ∗ ℎ (𝑒𝑐 16)
Dónde:
- q: Caudal de elevación
- Q: Caudal de entrega
- H: desnivel de trabajo
- h: Altura de elevación
Para nuestro caso 𝑞 = 2,37 𝐿𝑃𝑀 que es un valor teórico ya que se están
despreciando las perdidas por rozamiento.
En cuanto a la eficiencia que tendría el ariete el ariete hidráulico se utiliza la
siguiente ecuación:
𝑛 = 𝑞 ∗ ℎ
𝑄 ∗ 𝐻 (𝑒𝑐 17)
Con lo cual tenemos que la eficiencia de nuestra bomba sería de 0.66, es decir un
66% de eficiencia.
6.5. Cámara de aire
Se tomará entonces la ecuación (14) Para calcular la longitud que debe tener la
cámara de aire suponiendo un diámetro de la misma de 8 in y un factor de variación
52
de presión del 25%, este valor entre más pequeño sea proporcionara una mayor
estabilidad en la cámara por lo que tomar x= 0.25 es razonable.
Además, se debe hacer el cálculo de las pérdidas de carga en la tubería de entrega
y obtuvimos lo siguiente:
𝑉 =𝑄
𝐴=
4 ∗ 1,1575 ∗ 10−5
𝜋 ∗ 0,05082= 0,00571 𝑚
𝑠⁄
Con esta velocidad en la descarga, se obtuvo un número de Reynolds de 289,2
asumiendo una viscosidad cinemática del agua a 20° con valor de 1,003*10^-6
m^2/s, por lo cual se determina un factor de fricción de 0.10, Con esto las pérdidas
en la tubería de entrega son:
ℎ𝑟 = 0,10 ∗ 50 ∗ 0,005712
0,0508 ∗ 2 ∗ 9,81= 163,56 ∗ 10−6𝑚
Con las pérdidas de carga y con las suposiciones antes mencionadas se obtiene
una longitud de cámara de aire de:
𝐿𝑐 = 4 ∗ 1,25 ∗ 694,5 ∗ 10−6 ∗ (50 + 163,56 ∗ 10−6)
𝜋 ∗ 0,20322 ∗ 10,33 ∗ 0,25= 0,518𝑚 = 51,8𝑐𝑚
Lo cual parece razonable para la construcción y diseño del ariete hidráulico. Con lo
anterior se llegan a las siguientes medidas para la cámara de aire:
53
Figura. 21. Medidas para la cámara de aire del ariete. Fuente, elaboración propia.
6.5.1 Sobrepresión al interior del ariete
La sobrepresión del sistema es necesaria conocerla debido a que es un dato de
suma importancia que nos ayudara, por ejemplo, para conocer el peso de la válvula
de impulsión y así obtener su correcto diseño. Pero antes que nada debemos
conocer la altura manométrica, la cual estada dada por:
𝐻𝑚 = ℎ𝑔 + ℎ𝑟 + ℎ𝑚
Donde hg es la altura geométrica, hr son las pérdidas por fricción y hm las pérdidas
por accesorios mencionadas anteriormente en el marco teórico. Para hallar dichas
perdidas necesitamos conocer la velocidad que tiene el fluido, entonces:
𝑣 =𝑄
𝐴=
4 ∗ 0,00137𝑚3/𝑠
ᴨ ∗ (0,07793𝑚)2= 0,287
𝑚
𝑠
Ahora con la velocidad hallamos el valor del número de Reynolds para así obtener
el coeficiente de fricción correspondiente con el diagrama de moody:
𝑅𝑒 =𝑣𝑑
𝑣𝑐=
0,287 𝑚𝑠⁄ ∗ 0,07793 𝑚
1,003 ∗ 10−6 𝑚2𝑠⁄
= 22299,01
54
Ahora con este valor y conociendo que la tubería es lisa, debido a que es PVC, se
obtiene un coeficiente de fricción de:
𝑓 = 0,027
Con esto obtenemos unas perdidas por fricción según la ecuación 10 de:
ℎ𝑟 = 0,0304𝑚
Ahora para las perdidas por accesorios se tendrán en cuenta que a través de la
dirección de flujo hay un codo de 45°, un codo de 90° y una Tee en línea, valores
que se encuentran en los anexos, como van a través de la misma longitud y el
mismo diámetro entonces los valores de los coeficientes se sumaran y se aplicaran
en la ecuación 11, las perdidas por accesorios son:
ℎ𝑚 = 1,99 ∗(0,287 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9,81 𝑚𝑠2⁄
= 0,0084𝑚
Una vez obtenidas las pérdidas por accesorios y por fricción podemos hallar la altura
manométrica que es necesaria para hallar la sobrepresión al interior del ariete
hidráulico, la altura manométrica es:
𝐻𝑚 = 50,0388𝑚
Con lo anterior se puede dar inicio a cálculo de la celeridad al interior del ariete
aplicando la ecuación 4. Antes de iniciar se debe obtener el valor de K donde se
utiliza el módulo de elasticidad del PVC (material de conducción).
𝐸 = 3𝑥108
𝑘 =1010
3𝑥108= 33,333
55
El diámetro de la tubería de entrada es de 3 in y el espesor de la misma es de
2,37x10-3 m según catalogo PAVCO (ver anexos) por lo tanto,
D= 0,0762 m
e=2,37x10-3 m
Aplicando la ecuación 4 se obtiene:
𝑎 =9900
√48.3 + 33,330,0762𝑚
2,37𝑥10−3𝑚
, 𝑎 = 295,82
El siguiente valor a calcular será el tiempo de parada del agua aplicando la ecuación
cinco. Para ellos es necesario conocer el valor de las constantes k y c los cuales se
determinan utilizando la tabla 1 y 2 respectivamente sabiendo que la longitud L= 6m
y la relación Hm/L es de 50,04/ 6
K= 2
C= 1
V= 0,287 m/s
𝑇 = 1 + 2 ∗ 6 𝑚 ∗ 0,287 𝑚/𝑠
9,81𝑚𝑠2 ∗ 50,04 𝑚
𝑇 = 1,007 𝑠
Finalmente se puede hacer el cálculo de la sobrepresión aplicando la siguiente
ecuación:
∆𝐻 =2 ∗ 𝐿 ∗ 𝑣
𝑔 ∗ 𝑇
56
∆𝐻 =2 ∗ 6𝑚 ∗ 0,287 𝑚/𝑠
9,81𝑚𝑠2 ∗ 1,007𝑠
∆𝐻 = 0,3486 𝑚
6.6. Determinación de las válvulas
Como se mostró anteriormente las dimensiones del ariete dependen principalmente
del cuerpo y la cámara de aire. También se concluyó que el ariete necesario para
los requerimientos dados es un tipo 7 de la figura 20, este ariete cuenta con las
siguientes características:
1. Caudal de trabajo entre 80 y 180 LPM.
2. Diámetro del cuerpo del ariete es de 80mm.
3. Diámetro de tubería de elevación es de 50mm.
De acuerdo a las opciones de válvulas planteadas en el marco teórico se pretende
utilizar un solo tipo de válvula, tipo resorte (figura 13).
6.6.1. VÁLVULA DE DESCARGA
Se pretende utilizar la válvula tipo resorte esto debido a que el efecto de resorte
proporciona una buena apertura y cierre de la válvula dando a si el margen del ciclo
que estará presente en el ariete. Sin embargo, en este diseño no se pretende utilizar
una válvula resorte convencional, sino que se desea cambiar el resorte por imanes
de neodimio debido a que el resorte tiene una vida útil más corta con respecto a los
imanes. La repulsión entre dos imanes de neodimio proporcionará el mismo efecto
del resorte, pero con las siguientes ventajas:
Ventajas de la utilización de un imán de neodimio:
- Proporcionan una gran fuerza de repulsión
- Bajo peso y espacio limitado.
57
6.6.2. Sello de la válvula de descarga
El sello de esta válvula es el encargado de cortar el flujo de agua hacia la cámara
de aire. En un principio se consideró en fabricar este elemento a una medida
específica, sin embargo, en el momento de buscar un fabricante de estos elementos
en caucho reforzado se encontró que este tipo de sellos en la industria son
fabricados en serie debido a que es necesaria la utilización de un molde, por lo
tanto, sería demasiado costoso fabricar dicho elemento.
Por lo tanto, se considera que es necesario investigar acerca de sellos prefabricados
los cuales puedan cumplir con los requerimientos necesarios para el ariete y se
pretende variar el dimensionamiento del asiento de la válvula a partir de dicha
medida. Se encuentra un sello con las siguientes dimensiones de fábrica que
cumple con los requerimientos del dispositivo.
Figura. 22. Sello de la válvula de entrega con dimensiones de fábrica. Fuente del plano, elaboración propia.
58
6.6.4. Asiento de la válvula de descarga
Debido a que es imposible fabricar por propios medios el sello de la válvula se toma
como factor variable el asiento de la misma.
Ya que se conoce que el cuerpo del ariete es de 3 pulgadas, es decir, 76.2mm se
adquieren los elementos mencionados como cuerpo del ariete en el numeral 6.3.
Elementos estandarizados Material Cantidad
Te 76.2 mm Acero Galvanizado 1
Codo 76.2 mm 90o Acero Galvanizado 1
Codo 76.2 mm 45o Acero Galvanizado 1
Bridas 76.2 mm Acero 2
Tubo Φ 30.8 mm x 100mm Acero 1 Tabla 4. Elementos del cuerpo del ariete estandarizados. Fuente elaboración propia.
.
Se desea posicionar el asiento de la válvula en la brida por facilidad de fabricación.
Las bridas para una tee de 3 in cuentan con un diámetro interno de fábrica de
Di=90,6 mm. Es decir, que el asiento de la válvula debido a su posicionamiento
previsto por los diseñadores no puede ser de más de 90,6 mm. En el numeral
anterior se determinaron el tipo y dimensiones del sello de la válvula y la fabricación
del asiento estará dada por:
Restricción por el posicionamiento del asiento < 90,6 mm.
Diametro mayor del sello estandarizado. 53mm.
59
Tabla 5. Asiento de válvula de entrega. Fuente, elaboración propia.
6.6.5. Vástago de la válvula de descarga
Como se mencionaba anteriormente se desea aplicar una válvula de resortes, pero
utilizando en este caso imanes de neodimio. Esta válvula tendrá que tener un
movimiento axial y cíclico, es decir, la válvula tendrá que abrirse y cerrarse de una
manera controlada y este movimiento estará dado en función del cambio de presión
en el ariete. Con el fin de garantizar el control de esta válvula y debido a que ya se
tienen diseñados el asiento y el sello de la misma la única manera de lograr dicho
propósito es mediante su peso y en este caso la fuerza ejercida por los imanes.
Como se mostró en el numeral 6.5.1. La sobrepresión al interior del ariete hidráulico
es de 0,3486 mca es decir, 3,41628 Kpa. Trasladando esto a un diagrama de cuerpo
libre:
60
Figura. 23 DCL.1. Válvula de descarga. Fuente, elaboración propia.
Conociendo la sobrepresión y el diámetro del sello se puede encontrar la fuerza
ejercida sobre el sello.
Diámetro del sello d= 53 mm.
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
𝐴 =𝜋
4∗ 𝑑2 𝐴 =
𝜋
4∗ 0,0532 𝐴 = 2,21𝑥10−3𝑚2
𝐹 = 3416,28 𝑃𝑎 ∗ 2,21𝑥10−3𝑚2 = 7,55 𝑁
Al hacer la sumatoria de fuerzas en el eje y se obtiene que el peso no debe superar
el valor de 7,55 N, lo que significa que en kilogramos la válvula no puede pesar más
de w= 0,76 Kg para que la sobrepresión producida sea la suficiente para lograr
abrirla.
Para hacer una estimación del peso del vástago se considera que este no puede
tener una longitud mayor a la longitud de la cámara de aire. Con lo anterior se
consideran longitudes que estén dentro del rango de 0<x<450 mm además se debe
considerar un espacio prudente para la instalación del segundo vástago donde se
posicionara el segundo imán. La empresa Discovery inox sac, ofrece a sus clientes
61
una calculadora que permite hacer el cálculo del peso de ciertos perfiles de acero
inoxidable 304. Al considerar una barra redonda maciza de inox 304 y realizar varias
iteraciones cambiando el diámetro de la barra con medidas comerciales se llega a
lo siguiente.
Figura. 24. Cálculo del peso aproximado del vástago de la válvula. Fuente, Discovery inox sac, Discoverinox.com.pe.
En la figura 24 se observa que para una longitud de 430 mm el peso de una barra
de 19,05 mm es decir 3/4 in sería de 0,97 Kg. Este valor es mayor al deseado sin
embargo se escoge este debido a que el diámetro es comercial y es posible
mecanizarlo para conseguir el valor deseado.
Conociendo las dimensiones del vástago de la válvula es necesario escoger el tipo
de imán que se utilizará, como se mencionaba anteriormente el imán tendrá la
función de devolver la válvula a su posición inicial para comenzar nuevamente el
ciclo.
De acuerdo a un fabricante de imanes de neodimio en Bogotá cuya referencia se
encuentra adjunta ofrecen en el mercado cilindros de neodimio de las siguientes
características.
62
Ref. No. Forma Dimensiones
(mm)
Gauss promedio
67 Neo. Cilíndrico 35 5 x 15 4750
68 Neo. Cilíndrico 35 5 x 38 4760
69 Neo. Cilíndrico 35 7 x10 2840
70 Neo. Cilíndrico 35 8 x 38 5200
73 Neo. Cilíndrico 35 10 x 7 3100
77 Neo. Cilíndrico 39 10 x 20 4300
74 Neo. Cilíndrico 36 10 x 38 4960
76 Neo. Cilíndrico 38 13 x 14 4000
75 Neo. Cilíndrico 37 17 x 15 4300
Tabla 5. Tabla de imanes estandarizados. Fuente, Dimetales Colombia. Cra 13 No. 21 89 Bogotá.
Una de las restricciones para seleccionar dicho imán son sus dimensiones y su
fuerza. Como se mencionaba anteriormente se desea enfrentar dos imanes que se
encontraran en el vástago de válvula como se muestra en la siguiente figura.
Figura. 25. Mecanismo válvula de imanes. Fuente, elaboración propia.
La fuerza del imán debe ser lo suficientemente fuerte como para vencer la fuerza
ejercida por la presión del agua sobre la válvula que es de 0,76 kgf, con lo anterior,
se considera el imán de diámetro de 17 mm de la tabla 5 cuya fuerza es suficiente
63
para regresar la válvula a su posición, por lo tanto, se considera la referencia 75 con
una medida de D= 17 mm L= 15 mm
Diámetro (mm) Espesor (mm) Fuerza (kgf)
15 100 10
16 15 1.5
Tabla 6. Fracción de la tabla Fuerza de un imán N35 en barra. Fuente. Catalogo borrachasmgo.com.
En el momento de adquirir los imanes se realiza una prueba sobre ellos con el fin
de encontrar la distancia necesaria entre los imanes para que se logren repeler. La
distancia encontrada fue de 2.5 cm con ello y con las dimensiones del vástago
inferior de la válvula se posee a la construcción del vástago superior cuya función
será únicamente de sostener el segundo imán en la posición deseada. En el
momento del mecanizado del vástago el procedimiento fue prolongado debido a que
en cada pasada por el torno se verificaba el peso y la medida del mismo para llegar
al valor necesario de 0,76 kg utilizando también una báscula.
Se llegan a las dimensiones mostradas a continuación:
Figura. 26. Dimensiones del vástago principal de la válvula de entrega. Fuente, elaboración propia.
64
Figura. 27. Dimensiones del vástago secundario de la válvula de entrega. Fuente elaboración propia.
6.6.5. VÁLVULA DE IMPULSO:
Aquí también se pretende utilizar una válvula tipo resorte, el cual solo se comprime
cuando la válvula se cierra debido a la fuerza del agua. Este resorte cilíndrico a
compresión es el encargado de hacer volver a la posición de inicio (abierta) al sello
de la válvula y así lograr que se inicie un nuevo ciclo. El resorte estará ubicado entre
el sello y un apoyo que esta soldado al cuerpo del ariete, que es una platina a la
cual se le hizo un orificio por donde pasa el eje de esta válvula con el fin de que se
pueda sostener. Lo que se pretende es que el resorte mantenga el eje lo más recto
posible para que se haga un correcto cierre de la válvula.
En este caso se utilizará un eje macizo roscado de diámetro D= 12.7 mm. Se
designa así debido a que se colocara una tuerca en la parte superior del eje para
que se sostenga con el apoyo mencionado anteriormente y asimismo se pueda
variar la compresión del resorte si es que es necesaria.
65
6.6.6. Asiento para válvula de impulso
En este caso y como se mostró anteriormente este asiento será posicionado en el
codo de 90o el cual comprende una de las partes del cuerpo del ariete. Por lo tanto,
el diámetro de este asiento no puede ser mayor al diámetro interior del codo así se
llegan a las dimensiones mostradas en la figura 28.
Figura. 28. Asiento de válvula de impulso. Fuente, elaboración propia.
66
6.6.7. Sello para válvula de impulso
En este caso y análogo a la válvula de descarga el sello será adquirido de forma
estandarizada considerando nuevamente los requerimientos del dispositivo y las
dimensiones bases.
Figura. 29. Sello válvula de impulso. Fuente del plano, elaboración propia.
Al igual que con la válvula de descarga se procederá a hacer un diagrama de cuerpo
libre sobre el sello para conocer la fuerza que debe hacer el resorte necesaria para
que en un tiempo determinado la válvula de impulso regrese a su posición inicial, el
diagrama de cuerpo libre se puede ver en la figura 30.
Figura. 30. DCL 2, Fuente: Elaboración propia
67
Como vemos, la fuerza del resorte debe ser igual o mayor que la fuerza hecha por
la sobrepresión, el valor de dicha fuerza es la siguiente:
Diámetro del sello: 61,1 mm
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
𝐴 =𝜋
4∗ 𝑑2 𝐴 =
𝜋
4∗ 0,06112 = 2,93𝑥10−3𝑚2
𝐹 = 3416,28 𝑃𝑎 ∗ 2,93𝑥10−3𝑚2 ≈ 10 𝑁
Para determinar exactamente el material y medidas del resorte se tomara en cuenta
el libro Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley8, que en su capítulo 10 nos da
varias herramientas para el diseño de un resorte helicoidal a compresión.
Para ello es necesario hacer algunas suposiciones:
- El material será alambre de piano.
- El diámetro de la espira del resorte es de 4 mm.
- La fuerza aplicada al resorte es de 10N (debida a la sobrepresión).
- El diámetro del resorte será de 13 mm (un poco mayor al eje de 12,7mm).
- El número de espiras totales del resorte será de 5.
Teniendo en cuenta las tablas de ese capítulo sabemos que el módulo de rigidez de
este material es de 80 Gpa, y además podemos hallar la constante del resorte con:
𝐾 = 𝑑4𝐺
8𝐷3𝑁
8 Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley, Capitulo 10 Resortes Mecánicos, Página 499, Edición 8va.
68
Donde:
- D es el diámetro del resorte.
- N es el número total de espiras del resorte.
- d es el diámetro de la espira del resorte.
- G es el módulo de rigidez del material del resorte.
Con esto obtenemos que la constante del resorte es de 39,38N/m, Como bien
sabemos la fuerza de un resorte está dada por F=KY, Como conocemos la fuerza
que se le está aplicando al resorte y la constante del mismo hallaremos la deflexión
máxima del resorte que es lo mismo a la longitud máxima que se comprimirá el
resorte.
Así Y=0,25 m = 25 cm, De la tabla 10-1 del libro antes mencionado sabemos que la
longitud sólida para un resorte con extremos planos está dada por:
𝑙𝑠 = 𝑑(𝑁 + 1)
Por lo tanto ls es igual a 24 mm, Con esto hallaremos la longitud total que debe
tener el resorte que es igual a la suma entre la longitud sólida y la deflexión máxima
del resorte, entonces con esto obtenemos las siguientes especificaciones del
resorte que cumplirá la función de regresar la válvula a su posición inicial:
- Longitud del resorte 27,4 cm.
- Diámetro del resorte 13mm.
- Diámetro de la espira del resorte 4 mm.
- El material del resorte será alambre de piano.
7. Características del ariete hidráulico
De acuerdo a los cálculos matemáticos mencionados y al anterior dimensionamiento
se plantea la siguiente lista de materiales para la fabricación del ariete. Se
mencionarán en la tabla 8. Los elementos no estandarizados los cuales tendrán que
69
ser fabricados, mecanizados o moldeados de alguna manera para cumplir con los
requerimientos.
Elemento Material Cantidad
Eje macizo de Φ 19,05
mm x 500mm
Acero inoxidable 1
Eje de Φ 19,05 mm x
293mm
Acero inoxidable 1
Sello válvula de entrega Caucho reforzado 1
Sello válvula de impulso Caucho reforzado 1
Asiento válvula de
entrega Φ 101.6 mm
Acero inoxidable 1
Imanes de neodimio Neodimio 2
Eje roscado Φ 12.7 mm
x 100 mm
Acero inoxidable 1
Tubo Calibre 16
Φ203.2mm x 520 mm
Acero 1
Niple para roscar
Φ36.2 mm x 155 mm
Acero Galvanizado 1
Niple para roscar Φ36.2
mm x 200 mm
Acero Galvanizado 1
Tabla 7. Elementos no estandarizados. Fuente elaboración propia.
Con los materiales mencionados se procede a modelar cada una de las piezas junto
con su posterior ensamble en el software SOLID EDGE ST8 con el fin de brindar
una visualización previa al ariete hidráulico en tres dimensiones. Lo que proporciona
al equipo de trabajo una vista preliminar del dispositivo para verificar características
del diseño, posibles fallas del equipo entre otros.
a. Modelo en 3D del ariete hidráulico:
70
La figura 34 muestra el modelo de ariete hidráulico a diseñar.
Figura. 31. Isométrico del ariete hidráulico. Fuente, elaboración propia
De acuerdo al anterior isométrico se presenta el plano en corte del ensamble
general se muestra a continuación el despiece de todos los elementos no
estandarizados del ariete.
71
Figura. 32. Plano de ensamble en corte del Ariete Hidráulico. Fuente, elaboración propia.
72
8. Fabricación del ariete hidráulico:
Al contar con todos los elementos mencionados en la tabla 5 y 6 junto con los
planos proporcionados en la sección 6 se procede con la fabricación de las partes
del ariete.
8.1 Asientos de las válvulas:
En el taller de máquinas y herramientas de la universidad se logran las medidas
necesarias en un tiempo de trabajo de alrededor de 1 día en el torno y utilizando
buriles de tungsteno siendo un proceso lento debido a la dureza del material.
Figura. 33. Torneado de los asientos de las válvulas. Fuente, elaboración propia.
8.2 Vástagos de válvulas:
Al adquirir las secciones circulares de acero inoxidable 304 fue necesario
mecanizarlos a las medidas mostradas en la figura 26 y 27. Para lograrlo fueron
necesarios tres procesos refrentado, cilindrado y agujero. Nuevamente utilizando
buriles de tungsteno, en este caso el mecanizado tuvo una duración de alrededor
73
de dos días debido a que fue necesario la verificación del peso del elemento
después de cada pasada hasta llegar a los requerimientos de diseño.
Figura. 34. Mecanizado del vástago. Fuente, elaboración propia.
Figura. 35. Vástago terminado. Fuente, elaboración propia.
8.3 Ensamble del cuerpo del ariete:
Para ello se tuvieron en cuenta los siguientes pasos:
Soldar el asiento de la válvula de carga en la brida como se muestra en el plano de
ensamble. Para este proceso se utilizó soldadura TIG y fue necesario la
colaboración de personal especializado para lograr un perfecto cordón de
soldadura.
74
Figura. 36. Posicionamiento del asiento de la válvula en la brida. Fuente, elaboración propia.
En la figura 40 se observa el correcto posicionamiento de la válvula en el asiento
fabricado a medida.
Figura. 37. Posición de la válvula en su lugar de trabajo. Fuente, elaboración propia.
Se continua con el proceso de soldadura de todos los elementos del cuerpo del
ariete como lo son la brida, codos, niples y la tee para así finalizar con el ensamble
general de cuerpo del ariete.
75
Figura. 38. Ensamble general del cuerpo del ariete. Fuente, elaboración propia.
76
8.4. Cámara de aire
La construcción de la cámara de aire fue uno de los procesos de mayor tiempo de
fabricación debido a que a partir de ella se daría una correcta alineación entre los
vástagos de las válvulas, además, de que en ella se dará la sobrepresión necesaria
para impulsar el fluido a su destino. Es por ello que la construcción de esta cámara
se da en dos etapas.
1. Para la parte inferior de la cámara se utiliza un tubo de 101.6mm de diámetro el cual
irá soldador a la brida y permitirá la conexión entre la cámara de aire con el cuerpo
del ariete, además en este espacio fue instalado una guía para el vástago de la
válvula con el fin de garantizar la alineación y evitar el pandeo que podría
presentarse.
Figura. 39. Parte inferior de la cámara de aire junto con la guía del vástago de la válvula. Fuente, elaboración propia.
77
2. La cámara de aire está conformada en su interior por los dos vástagos mostrados
en la figura 38. Para lograr el ensamble correcto de los mismos se realizó un
procedimiento de soldadura del vástago superior a la tapa de la cámara y
posteriormente se soldó la tapa a la cámara.
Por último, el conjunto anteriormente mencionado fue soldado a la parte inferior de
la cámara (figura 43) y así se obtiene el ensamble general de la cámara.
Figura. 40. Cámara de aire terminada. Fuente, elaboración propia.
78
8.5. Ensamble de visualización y puesta en punto de las partes
Por ultimo después de lograr el correcto funcionamiento de las partes se procede a
hacer un ensamble preliminar. Esto con el fin de visualizar en primera instancia
cualquier posible irregularidad que se pueda haber presentado en el ariete y
corregirlo de manera inmediata.
Figura. 41. Ariete hidráulico terminado. Fuente, elaboración propia.
Al observar condiciones completamente satisfactorias en el dispositivo se toma
hacia el taller de pintura electrostática con el fin de prevenir algún tipo de corrosión
en el elemento y prolongar la vida útil del mismo.
79
9. Resultados y análisis
Después de un largo proceso el equipo de trabajo se dirigió hasta Tena
Cundinamarca para dar inicio a la instalación del ariete hidráulico y para comenzar
con la toma de datos. Al llegar al sitio a simple vista se encontró que el caudal de
la quebrada había aumentado, por testimonios de los habitantes comunicaron que
en los últimos días había llovido en la zona, por lo tanto, se decidió que era
importante volver a tomar el caudal de la fuente con el mismo procedimiento al
comenzar el proyecto, ya que esto cambiaría el resultado del posible caudal de
entrega en el tanque, por lo tanto, se adquirieron los siguientes datos:
Q = 2,11 Lt/s = 126,4 LPM
Esto quiere decir que podríamos entregar un caudal de:
q esperado = 3,58 LPM
El siguiente paso fue dar un correcto posicionamiento del ariete en la quebrada con
el fin de situar posteriormente y de manera correcta la tubería de carga y descarga.
Además, se inició con el ensamble del cuerpo del ariete con la cámara de aire en
su lugar de trabajo.
Figura. 42. Proceso de posicionamiento y ensamble del ariete en el lugar de trabajo. Fuente, elaboración propia.
80
Al contar con todo el sistema ensamblado se procede a dar arranque al dispositivo
y desplazarnos hacia el sitio de llegada del fluido con el fin de tomar el caudal de
entrega por parte del ariete hidráulico el cual fue de:
q real = 0,93LPM
Lo que indica que se cumple con uno de los requerimientos mencionados al principio
del documento que era un caudal de entrega de 0,6945 LPM, por otro lado, en
cuanto a la eficiencia de caudal real que debía tener no fue la mejor, debido a que
no se entregó lo que se esperaba según el dato anterior mostrado, entonces la
eficiencia volumétrica en este caso fue de:
𝑛𝑞 = 𝑞 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑞 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜=
0,93 𝐿𝑃𝑀
3,58 𝐿𝑃𝑀= 0,259 = 25,9%
Esto permite analizar que es necesario realizar un ajuste en la válvula de impulsión
la cual es de tipo pesos por encima, para que se disminuya el tiempo de parada, y
esto a su vez mejore el golpe de ariete dentro del cuerpo del dispositivo, generando
así una mayor energía y, por lo tanto, un mayor volumen de entrega de caudal.
También es importante ver qué rendimiento volumétrico tuvo el ariete hidráulico,
para esto se hace una relación entre el caudal de entrega real y el caudal de
alimentación de la fuente que tomamos el día de las pruebas:
𝑛𝑣 = 0,93 𝐿𝑃𝑀
126,4 𝐿𝑃𝑀 = 0,8 %
Dando como resultado una eficiencia volumétrica baja y demostrando así que este
tipo de bombas, aunque pueden funcionar 24 horas al día, no tienen eficiencia
elevada y esto puede dar limitaciones en algunas aplicaciones, una solución ante
este problema, si es que se requiere una eficiencia mayor, será construir un ariete
hidráulico multipulsor, es decir, un ariete hidráulico que tiene un conjunto de válvulas
de impulso que se disponen en serie y muy juntas, como se ve en la siguiente
imagen:
81
Figura. 43. Ariete hidráulico multipulsor Fuente: www.Cubasolar.cu.
La disposición de las válvulas genera una mayor potencia de la bomba y esto a su
vez incrementara considerablemente la eficiencia del ariete hidráulico, así se
aprovecharía mejor el caudal de la fuente; otra solución para poder generar mayor
caudal de entrega seria disponer varias bombas de ariete en paralelo.
En un principio con un previo acuerdo con el propietario de la finca se concibió que
el señor se encargaría de proporcionar el tanque de 1000 Lt. Sin embargo, al llegar
el día de instalación se observó que Don Alejandro había adquirido un tanque de
2000 Lt lo que altera de alguna manera las condiciones de funcionamiento del
dispositivo.
La potencia hidráulica de la bomba de ariete se calculara según la ecuación 15:
- 𝑃ℎ = 41,3 𝑉𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠
Por último, es posible calcular nuevamente la eficiencia del ariete, como se mostró
anteriormente la eficiencia teórica del mismo era de 66% despreciando todas las
pérdidas de carga que podía tener el sistema. Aplicando la ecuación 17 y solo
82
cambiando el caudal de entrega el cual ya se conoce que es de 1339,2 L/día. Se
obtiene.
𝑛 = 28,2%
10. Conclusiones
- Uno de los factores más influyentes en el momento de instalar el ariete fueron las
condiciones naturales del sitio de trabajo, debido a que las grandes imperfecciones
en el lugar hacían que elementos como la tubería de carga y descarga tuvieran giros
y alturas pronunciadas disminuyendo la eficiencia del ariete. Se recomienda realizar
una adecuación del terreno como una superficie plana para la instalación del ariete
y la adecuación de la trayectoria de la tubería de descarga sin afectar de manera
significativa la naturaleza del lugar.
- La válvula de impulsión es la encargada de generar el golpe de ariete, por ello es
importante que su ajuste sea el mejor para que el tiempo de parada sea el menor
posible y así se genere una mayor energía dentro del cuerpo del ariete hidráulico,
mejorando así la eficiencia en general de la bomba y el caudal de entrega. Para ello
fue necesario la modificación de esta válvula, en un principio se decidió instalar una
válvula de pesos por encima, sin embargo, a lo largo de las pruebas se notó que no
lograba cumplir con el ciclo deseado para el correcto funcionamiento del ariete. Es
por eso que se tomó en consideración el uso de una válvula tipo resorte ya que el
resorte a la hora de instalación permitiría una mejora en el movimiento cíclico de la
válvula y permitía al equipo de trabajo manipular el mecanismo para lograr
finalmente el correcto y óptimo funcionamiento del ariete.
- Se observó un correcto funcionamiento del ariete, se cumplió con el requerimiento
fundamental del propietario el caudal era adquirir 1000 Lt/día de agua, sin embargo,
de acuerdo a los datos anteriores se entregan aproximadamente 1339,2 Lt/día.
- Teóricamente de acuerdo a la ecuación 16 se esperaba entregar un caudal de 2,37
LPM con este valor la eficiencia esperada era del 66% sin embargo, en realidad se
83
entregaron 0,93 LPM lo que afecta directamente la eficiencia del sistema. No
obstante, en la mayoría de las referencias vistas a lo largo del proyecto se menciona
repetidamente que la eficiencia de estos dispositivos es baja debido a dos factores
como lo son la relación que existe entre la altura de trabajo y la altura de elevación,
y que no se puede garantizar un caudal constante por condiciones climatológicas
en la zona.
84
11. Bibliografía
1. ACADEMIA DE CIENCIAS DE LA REPUBLICA DOMINICANA. El Ariete fuente de
agua sin combustible [En Línea].
<http://www.seescyt.gov.do/CyT/Ideass%20Innovacion%20Desarrollo/BrochureAri
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2. ALCALDÍA DE TENA - CUNDINAMARCA. Información general [En Línea].<
http://www.tena-cundinamarca.gov.co/informacion_general.shtml> [Citado el 20 de
abril de 2016]
3. BIANCHA GUTIERREZ Gerson, SIERRA GALLO Carlos, Análisis del ariete
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(Ingenieria Mecánica), Universidad Industrial de Santander, Facultad de Ingenierias
Fisicomecanicas, Escuela de Ingenieria Mecánica. ESCUELA DE INGENIERIA DE
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<http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/elarietehidraulico/ari
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funcionamiento de la bomba de ariete hidraulico multipulsor A&M, Universidad
Politecnica Salesiana, 2009.
5. CAMPAÑA Cristian, GUAMAN Darwin, Diseño y Construcción de una bomba de
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85
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España, 2013, Trabajo de grado (Ingenieria Mecánica), Universidad de Zaragoza,
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Cuarta edición, Pagina 13
12. SHIGLEY Joseph Edward, Diseño en Ingeniería Mecánica, Capitulo 10 Resortes
Mecánicos, Página 499, Edición 8va.
86
ANEXOS
Figura 47. Diagrama de Moody
87
RUGOSIDAD ABSOLUTA DE MATERIALES
Material ε (mm) Material ε (mm)
Plástico (PE, PVC) 0,0015 Fundición asfaltada 0,06-
0,18
Poliéster reforzado con fibra de
vidrio 0,01 Fundición
0,12-
0,60
Tubos estirados de acero 0,0024 Acero comercial y soldado 0,03-
0,09
Tubos de latón o cobre 0,0015 Hierro forjado 0,03-
0,09
Fundición revestida de cemento 0,0024 Hierro galvanizado 0,06-
0,24
Fundición con revestimiento
bituminoso 0,0024 Madera
0,18-
0,90
Fundición centrifugada 0,003 Hormigón 0,3-3,0
Figura 48. Rugosidad Absoluta de Materiales
88
Figura 49. Coeficientes de pérdidas para varios accesorios