Bomba Espiral

7/25/2019 Bomba Espiral

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CERTIFICACIN DE LA ELABORACIN DEL PROYECTO

El proyecto DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN BANCO DE

PRUEBAS PARA BOMBAS DE ESPIRAL fue realizado en su

totalidad por el seor Miguel Andrs Tern Echeverra, portador

de la cdula 171672564-1, como requerimiento parcial para laobtencin del ttulo de Ingeniero Mecnico.

--------------------------------------- --------------------------------------

Ing. Francisco Terneus Ing. Roberto Gutierrez

DIRECTOR CODIRECTOR

Sangolqu, 2012 01- 25


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LEGALIZACIN DEL PROYECTO

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA

BOMBAS DE ESPIRAL

ELABORADO POR:

________________________________

Miguel Andrs Tern Echeverra

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA

CARRERA DE INGENIERA MECNICA

_________________________________

Ing. Xavier Snchez

DIRECTOR DE CARRERA DE INGENIERA MECNICA

Sangolqu, 2012 - 02


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DEDICATORIA

Dedico el presente trabajo:

Primeramente a Jehov mi Dios, el Alfa y la Omega, principio y fin, el que es y que era y

que ha de venir, el Todopoderoso quin fue hecho carne, se entreg, muri, resucit y

pag la deuda del pecado por mi sin que yo lo merezca, rescatando mi alma y dndole

sentido a mi ser, quien por su gracia e infinita misericordia me promete vida eterna, por

quien me despierto cada da y recibo muchas bendiciones.

Solo a Dios Jehov sea toda la gloria, toda honra y todo honor frutos del presente trabajo

y del ttulo obtenido.

A mi querida madrecita, Marcia Echeverra, quien es una bendicin de Dios, quien con su

ejemplo supo forjar mi persona y sobre todo me supo guiar por el buen camino de la fe, el

de la verdadera libertad.

A mi querida abuelita, Paulina Tejada, quin tambin es una bendicin que Dios me ha

provedo, quien en momentos felices as como en momentos difciles, siempre ha estado

junto a m.

A mi ta Patricia Echeverra quien me ayud mucho en la vida y la recuerdo con mucho

cario a pesar de la distancia en que vivimos.

A toda m querida familia quienes son una bendicin que Dios me dio.

A la memoria de Carmencita, mi bisabuelita, quin me quiso mucho y yo tambin la quise

y no la olvido.

Y tambin dedico a la memoria de alguien ms, quien, aunque ya no est con nosotros,

siempre ocupa un lugar especial en mi corazn y de quien tengo gratos recuerdos de

felices e inolvidables momentos y a quien que en su lecho de muerte jur que si Dios me

da vida, obtendra este ttulo.



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AGRADECIMIENTO

Primeramente a Jehov mi Dios, quin me ha dado la sabidura del entendimientode su palabra, la vida, la salud, los recursos y la oportunidad de estudiar y de ser

en la vida un profesional.

A mi madre Marcia Echeverra y a mi abuelita Paulina Tejada, quienes me han

apoyado siempre en mis ideas y en la construccin de mis sueos.

A mi familia y amigos, quienes me han apoyado y me han dado nimos y aliento

para esforzarme y seguir hasta alcanzar las metas.

A la Escuela Politcnica del Ejrcito ESPE, y en especial a la Carrera de

Ingeniera Mecnica, donde me recibieron y forj mis conocimientos y me form

como profesional y como persona. De donde me llevo gratos recuerdos que jams

me olvidar.

A mis maestros, quienes me han trasladado y compartido sus conocimientos y

vivencias. A quienes recordar con inmensa gratitud.

A mis compaeros y amigos de la carrera, con quienes compart el da a da

durante mis estudios y con quienes he pasado gratos e inolvidables momentos.

Al Ing. Francisco Terneus y al Ing. Roberto Gutirrez, Director y Codirector del

presente proyecto respectivamente, quienes me supieron guiar con sus

conocimientos y experiencia hasta cumplir los objetivos propuestos.

A Mecnica Industrial Carchi y al Sr. Jaime Rosero de Hierrotecnia, quienes

gracias a su colaboracin, ha sido posible la construccin del presente proyecto.

A todas esas personas que de una u otra forma me han extendido la mano y me

han brindado su ayuda durante el transcurso de estudios de mi carrera.



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NDICE DE CONTENIDOS

CERTIFICACIN DE LA ELABORACIN DEL PROYECTO________________II

LEGALIZACIN DEL PROYECTO____________________________________III

DEDICATORIA____________________________________________________IV

AGRADECIMIENTO________________________________________________V

INDICE DE CONTENIDOS__________________________________________ VIINDICE DE ECUACIONES___________________________________________V

INDICE DE TABLAS_______________________________________________XII

INDICE DE GRAFICAS____________________________________________XIV

INDICE DE FIGURAS______________________________________________XV

INDICE DE ANEXOS_____________________________________________XVIII

GLOSARIO DE TERMINOS________________________________________XIXRESUMEN/ABSTRACT____________________________________________XX

Captulo I: GENERALIDADES

1.1 Antecedentes ________________________________________________1

1.2 Definicin del problema________________________________________4

1.3 Objetivos ___________________________________________________ 5

1.3.1 General________________________________________________ 5

1.3.2 Especficos_____________________________________________ 5

1.4 Justificacin e importancia del Proyecto__________________________6

1.5 Alcance del proyecto__________________________________________8


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Captulo II: MARCO TERICO

2.1 Bomba_______________________________________________________10

2.2 Bomba de Espiral______________________________________________10

2.2.1. Partes elementales de una bomba de espiral__________________10

2.2.1.1 Manguera enrollada________________________________ 11

2.2.1.2 Espiras___________________________________________12

2.2.1.3 Manguera de descarga______________________________12

2.2.1.4 Articulacin Hidrulica______________________________12

2.2.1.5 Boca de Entrada___________________________________ 122.2.1.6 Paletas___________________________________________13

2.2.1.7 Radios Estructura________________________________ 13

2.2.1.8 Nivel de agua______________________________________13

2.2.2 Funcionamiento de una bomba de espiral____________________ 13

2.2.2.1 Presin hidrosttica________________________________14

2.2.2.2 Empuje de la burbuja de aire (Air lift)__________________16

2.2.3 Diseo de una bomba de espiral____________________________18

2.2.4 Eficiencia de una bomba de espiral__________________________21

Captulo llI: DISEO DE BANCO DE PRUEBAS.

3.1 Diseo de la rueda________________________________________________ 23

3.2 Diseo de la estructura de soporte____________________________________ 44

3.2.1 Materiales utilizados en la estructura_____________________________ 44

3.2.2 Cargas asignadas a estructura__________________________________ 45

3.2.3 Anlisis de estructura_________________________________________ 46

3.2.4 Anlisis de carga mxima______________________________________ 49

3.2.5 Carga mxima recomendable para la estructura___________________ 51


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Captulo IV: CONSTRUCCION DE BANCO DE PRUEBAS.

4.1 Desarrollo de Banco de Pruebas_________________________________52

4.1.1 Caractersticas del banco de pruebas_______________________52

4.1.2 Construccin de estructura de la rueda_____________________ 52

4.1.3 Construccin de Paletas_________________________________ 57

4.1.4 Construccin de bobinas en espiral________________________ 59

4.1.5 Articulacin hidrulica___________________________________ 63

4.1.6 Mangueras de descarga__________________________________ 65

4.1.7 Instrumentacin del banco________________________________664.1.8 Estructura de soporte del dispositivo_______________________66

Captulo V: PRUEBAS DE DISPOSITIVO Y ANALISIS DE DATOS

5.1 Pruebas del dispositivo________________________________________ 69

5.1.1 Pruebas en el ro________________________________________ 705.1.2 Pruebas en un tanque con agua___________________________ 77

5.2 Anlisis de datos y curvas caractersticas________________________79

Captulo Vl: ANLISIS ECONMICO-FINANCIERO

6.1 Anlisis de costos del presente proyecto_________________________ 88

6.2 Anlisis econmico de bombas de espiral________________________90


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Captulo VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7.1 Conclusiones_________________________________________________96

7.2 Recomendaciones____________________________________________99

FUENTES DE CONSULTA_________________________________________100


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P= p*( h1+h2+h3+

,

.

INDICE DE ECUACIONES

(2.1)___________________

.+hn)+Po (2.2)_____________________

(2.3)___________________

(2.4)___________________

(2.5)____________________

(2.6)_____________________

(2.7)_____________________

(2.8)_____________________

(2.9)_____________________

(2.10)____________________

(2.11)____________________

(2.12)__________________

(2.13)_________________

(2.14)___________________

(2.15)___________________

( 2.16)___________________

(2.17)__________________ (2.18)___________________

____________14

____________15

____________16

____________17

____________17

___________19

____________19

____________19

____________19

___________ 19

___________ 20

___________ 20

____________20

____________21

____________21

____________21

____________21

____________21


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(2.19)______________________________22

(2.20)______________________________22

(2.21)______________________________22 (2.22)______________________________22 (5.1)_______________________________70


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INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Propiedades del acero 1018_______________________________ 38

Tabla 3.2 Tabla de capacidades de carga del eje_______________________43

Tabla 3.3 Materiales utilizados en la estructura________________________44

Tabla 3.4 Detalle de las cargas asignadas____________________________ 46

Tabla 3.5 Detalle de carga mxima recomendable de estructura__________51

Tabla 5.1 Tabla de datos variando el porcentaje de sumergido___________74

Tabla 5.2 Datos tomados variando numero de espiras y dimetros de

tuberas de espiral y descarga______________________________________76

Tabla 5.3 Datos tomados en pruebas en tanque de agua________________79

Tabla 5.4 Calculo de caudal con datos de las primeras pruebas__________80

Tabla 5.5 Calculo de caudal con datos de pruebas realizadas variando

nmeros de espiras y dimetros de tuberas de espiral y descarga_______ 81

Tabla 5.6 Calculo de caudal con datos de pruebas variando la altura H___ 83

Tabla 5.7 Clculos de Eficiencia con los datos obtenidos en las pruebas en

el ro variando el porcentaje del sumergido___________________________86

Tabla 5.8 Clculos de Eficiencia con los datos tomados en pruebas en el

ro variando nmero de espiras y dimetros internos de la manguera del

espiral y de la descarga___________________________________________87

Tabla 5.9 Clculos de Eficiencia con los datos tomados en pruebas en el

tanque variando la altura de descarga_______________________________87


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Tabla 6.1 Costos totales del proyecto_______________________________89

Tabla 6.2 Costos estimados de una bomba de similar magnitud y calidad a

las analizadas en el banco de pruebas_______________________________91

Tabla 6.3 Precios de bombas elctricas utilizadas en este anlisis_______ 92

Tabla 6.4 Consumo mensual y anual de bombas elctricas_____________ 92

Tabla 6.5 Costos estimados de accesorios y adicionales necesarios para las

bombas elctricas_______________________________________________ 93

Tabla 6.6 Detalle de costos totales mensuales de cada bomba___________94

Tabla A1.1 Variables y rangos de graduacin de banco de pruebas_____ 106


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INDICE DE GRAFICAS

Grafica. 2.1 Grafica curva de Zenz de flujo agua aire [5]_______________ 17

Grafica 5.1 Velocidad de giro Caudal_______________________________ 81

Grafica 5.2 Relacin entre nmero de espiras Caudal_________________82

Grafica 5.3 Relacin d Descarga Caudal____________________________82

Grafica 5.4 Curva altura Caudal___________________________________84

Grafica 6.1 Relacin Costos Tiempo de vida til en la que se observan los

puntos de equilibrio de rentabilidad de las bombas____________________ 95


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INDICE DE FIGURAS

Fig. 1.1 Bomba de espiral - Fuente: The Spiral Pump, Peter Tailer, USA_____2

Fig. 1.2 Bomba de espiral plana_____________________________________ 3

Fig. 1.3 Bomba de espiral en pruebas realizadas en el ro Pita el

da 20/10/2010_____________________________________________3

Fig. 2.1 Partes elementales de una bomba de espiral___________________11

Fig. 2.2 Anlisis de presin de Bombas de espiral_____________________15

Fig. 3.1 Diagrama de cuerpo libre del eje_____________________________ 31

Fig. 3.2 Geometra de la flecha______________________________________32

Fig. 3.3 Diagrama de esfuerzo cortante pano yz________________________33

Fig. 3.4 Diagrama de momento flector plano yz_______________________34

Fig. 3.5 Diagrama se torque________________________________________35

Fig. 3.6 Diagrama de esfuerzo cortante plano xz_______________________36Fig. 3.7 Diagrama de momento flector, plano xz_______________________37

Fig. 3.8 Diagrama de torque________________________________________37

Fig. 3.9 Seccin con esfuerzos m y a________________________________40

Fig. 3.10 Seccin con esfuerzos equivalentes_________________________40

Fig. 3.11 Vista 3D en SAP de estructura asignada los materiales_________44

Fig. 3.12 Ingreso de dimensiones de secciones de elementos____________45

Fig. 3.13 Ingreso de propiedades de cargas__________________________45

Fig. 3.14 Anlisis de la demanda capacidad___________________________46

Fig. 3.15 Resumen resultante de anlisis de estructura_________________47

Fig. 3.16 Reacciones resultantes de anlisis de estructura______________ 48

Fig. 3.17 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda articulada

a la existente____________________________________________________49

Fig. 3.18 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda colocada

del otro lado de la estructura_______________________________________50


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Fig. 4.1 Fotografas de eje y placas utilizadas en la rueda._______________53

Fig. 4.2 Fotografas de chaveta, manzana y prisionero a colocarse en ejejunto con las placas_______________________________________________54

Fig. 4.3 Fotografas de placas agujereadas y colocadas correctamente en el

eje_____________________________________________________________ 55

Fig. 4.4 Fotografas de los radios de madera colorado cortados, y durante el

proceso de taladrado de los agujeros________________________________55

Fig. 4.5 Fotografas de ensamblaje de la rueda de soporte______________56

Fig. 4.6 Fotografas de estructura de rueda ensamblada_______________ 57Fig. 4.7 Fotografas de chumaceras a utilizarse para el giro_____________ 57

Fig. 4.8 Fotografas de preparacin y colocacin de paletas_____________58

Fig. 4.9 Fotografas de mangueras de polietileno de y de 1 utilizadas

para las espiras__________________________________________________ 59

Fig. 4.10 Fotografas de inicio de espiralado de la manguera____________59

Fig. 4.11 Fotografa de sujecin de la primera espira con alambre

galvanizado que envuelve la manguera con el radio y a un perno de las

paletas__________________________________________________________60

Fig. 4.12 Fotografa de tiras plsticas de amarre_______________________60

Fig. 4.13 Fotografas de colocado de espiral manguera de 1___________ 61

Fig. 4.14 Fotografas de colocado de espiral manguera _____________ 61

Fig. 4.15 Fotografa de bocas de entrada de agua a espira______________ 62

Fig. 4.16 Fotografa de vlvulas de las espiras y unin_________________ 62

Fig. 4.17 Fotografa de boca de entrada para 9 espiras en espiral de __ 63

Fig. 4.18 Fotografas de acople articulacin hidrulico y elementos desujecin montado en el banco de pruebas____________________________65

Fig. 4.19 Fotografas de estructura de soporte sujetando la rueda de

Espiral_________________________________________________________ 68

Fig. 5.1 Fotografa de Caneca de 20 litros utilizada para medir el caudal___ 69

Fig. 5.2 Fotografa de transporte de dispositivo desarmado_____________ 71


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Fig. 5.3 Fotografas de armado de banco de pruebas en el rio____________71

Fig. 5.4 Fotografas de pruebas con el banco en el rio__________________72

Fig. 5.5 Fotografa del Director del proyecto Ing. Franciso Terneus, junto albanco de pruebas trabajando en el ro_______________________________ 73

Fig. 5.6 Fotografas de pruebas con tanque en las instalaciones de

la ESPE_________________________________________________________78

Fig. A1.1 Partes del banco de pruebas______________________________103

Fig. A1.2 Fotografa de articulacin hidrulica_______________________104


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INDICE DE ANEXOS

ANEXO I: Manual del usuario del banco de pruebas para bombas de

espiral_________________________________________________________101

ANEXO II: Planos de despiece y construccin de banco de pruebas para

bombas de

espiral________________________________________________________ 113

ANEXO III: Planos de estructura metlica desoporte________________________________________________________ 114


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Presin hidrostti

Densidad del lqui

Aceleracin de la

Altura del fluido (

Patm Presin atmosfri

Q: Caudal

V: Volumen del recip

T: Tiempo que tarda

n: Numero de espira

d Espiras: Dimetro inte

d Descarga: Dimetro i

P: Presin

t: Tiempo en llenarse re

D Dimetro de la pri

h1 Altura de descarg

P1 Presin de la priPn Presin de la esp

V1 Volumen de la pri

Vn Volumen de la es

hn Longitud de desc

: Densidad del agu

V: Volumen de desc

H: Altura de descar

F: Fuerza aplicada

Rev: Nmero de revol

volumen V de agua.

D: Dimetro de la ru

: Velocidad angula

r: Radio distancia e

que es el lugar medio do

GLOSARIO DE TRMINOS

a (en pascales);

o (en kilogramos sobre metro cbico);

gravedad (en metros sobre segundo al c

n metros).

a

iente a llenarse, volumen de descarga

en llenarse el recipiente.

no de manguera de espiral.

terno de manguera de descarga.

ipiente de 20 l (5.28 gal).

mera espira o externa.

a de la primera espira.

era espira.ira n.

mera espira o externa.

pira n.

arga de la ultima espira n o dimetro de

a ( 8.34 lib/gal) [9]

arga en galones.

a en pies

la rueda (lb)

ciones que da la rueda en un tiempo en

eda.

r de la rueda en rpm.

n pies desde el centro de la rueda al cen

nde se aplicara la fuerza .

uadrado);

la ultima espira.

descargar un

tro de la paleta


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RESUMEN / ABSTRACT

El Banco de pruebas para bombas de espiral es un equipo de laboratorio diseado

para evaluar el comportamiento, desempeo y eficiencia de bombas de espiral las

mismas que fundamentalmente consisten en una manguera enrollada con paletas

de tal manera que al rotar ingresan por la boca tramos de agua y aire; el aire es

comprimido con el agua en cada espira y a la salida se obtiene una presin tal que

logra elevar el fluido debido a dos principios: la presin hidrosttica y el empuje de

la burbuja de aire airlift.

El equipo est diseado para que el usuario pueda modificar y graduar fcilmente

las diferentes magnitudes y parmetros de diseo de bombas de espiral, para

facilitar el estudio de comportamiento de dichas bombas. Dispone de una rueda

de grandes dimensiones con el objeto de que al hacer las pruebas arroje

resultados confiables y que las tendencias de comportamiento sean apreciables.

Adems es totalmente desarmable, portable, robusto, duradero y de fcil uso.

The Testing Bench for spiral pumps is a laboratory equipment designed to evaluate the

behavior, performance and efficiency of spiral pumps than fundamentally consist in a

coiled hose with trowels in such a way that when that rotate, stretches of water and air

than enter for the mouth; air is compressed with water in each coil and such that manages

to lift the fluid on the way out due two principles: The hydrostatic pressure and the airlift.

This equipment is designed in order that the user can modify and gauging the different

magnitudes and designing parameters of spiral pumps easily, to make easy the study of

behavior of that pumps. It has a wheel of big dimensions with the object that when doing

proofs, he yields reliable results and appreciable behavioral tendencies. Besides it is

totally demountable, portable, robust, durable and of easy use.


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CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1 Antecedentes

La bomba espiral, fue creada en 1746 por H.A. Wirtz, en Zurich - Suiza, quien

muy probablemente tom como referencia el tornillo de Arqumedes y la rueda

Persa, dispositivos que no podan levantar el agua ms alto que su propia

estructura.

A travs de la historia este invento, ha tomado distintos nombres tales como:

bomba de espiral, bomba de bobina, bomba manomtrica, bomba Wirtz, etc.

Segn Peter Tailer en su obra The Spiral Pump, un primer modelo fue

patentado en 1904 por Robinson L. y Gaylor J. Adems afirma que Peter

Morgan del Blair Research Laboratory en Zimbabwe fue probablemente la

primera persona en construir una bomba Wirtz luego de que este invento fuese

olvidado por ms que un siglo, adems de haber realizado diversas

aplicaciones en varios pases en desarrollo.

Tambin Ohlemutz Rudolf de la Universidad de California desde 1975 ha

presentado varias aplicaciones de la bomba de espiral.

Este invento consiste fundamentalmente en una manguera enrollada de tal

manera que al rotar ingresan por la boca tramos de agua y aire. El aire es

comprimido con el agua de cada espira y a la salida se obtiene una presin talque logra elevar el fluido debido a dos principios: la presin hidrosttica y el

empuje de la burbuja de aire.

La bomba de espiral rota gracias al impulso del agua ya que utiliza la energa

cintica de un rio o acequia, la cual es una fuente energtica limpia, gratuita y

abundante en nuestro pas.


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Este dispositivo, se puede construir muy fcilmente, con materiales comunes y

rpidamente accesibles y a un costo muy bajo.

El mantenimiento y la reparacin puede ser realizada por personal sin

capacitacin e incluso puede ser replicado con la simple observacin.

Foto. 1.1 Bomba de espiral

Fuente: The Spiral Pump, Peter Tailer, USA.

Peter Tailer en The Spiral Pump, tambin afirma que en estado del arte se

han obtenido alturas de bombeo de hasta 20 metros y caudales de hasta 1500

gal/da, por lo que su desempeo resulta competitivo y con una alta relacin

costo-beneficio.

Resulta especialmente atractivo para la geografa de la sierra ecuatoriana al

ser montaosa, y fundamentalmente agrcola y ganadera


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3

adems de poseer una gran riqueza hidrogrfica en donde los ros pasan por

quebradas profundas.

En el Departamento de Energa y Mecnica de la ESPE, se han construido

algunos prototipos de bombas de espiral como los presentados en las

fotografas 1.2 y 1.3 presentadas a continuacin, a los que se les ha probado en

ros y quebradillas aledaas a las instalaciones de la institucin, dando

diferentes resultados en cuanto a eficiencia y desempeo; registrndose su

estado del arte, una altura de hasta 22 m, con presiones manomtricas de 1.5

bar experimental y de 1.43 bar terica

Fig. 1.2 Bomba de espiral plana

Fig. 1.3 Bomba de espiral en pruebas realizadas en el ro Pita el 20/10/2010


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4

1.2 Definicin del problema

A nivel mundial los actuales recursos tanto energticos como hdricos son

limitados y la mayora de ellos no son renovables.

A pesar de que en nuestro pas tenemos una riqueza hidrogrfica, sta no ha

sido debidamente aprovechada ni responsablemente explotada; siendo este

recurso escaso en muchos lugares, especialmente montaosos, en donde

debido a dichas limitaciones geogrficas se ha encarecido los costos operativos

para los sectores agrcola y ganadero al tener que utilizar bombas elctricas ocon motores de combustin para movilizar el agua sea para riego o para el

ganado, al encontrarse los terrenos en alturas superiores a las que se

encuentran los ros y canales de riego en el campo agrcola y ganadero e

incluso en muchos casos, los mismos terrenos tienen algunos grados de

pendiente. En nuestro pas casi no existen proyectos de investigacin

enfocados a dar una solucin a la mencionada necesidad.

La bomba en espiral es un dispositivo autosustentable que utiliza la energacintica del ro para girar y funcionar transportando agua varios metros incluso

a terrenos ms altos que el ro o canal de agua, por lo que debera ser

profundamente investigado y estudiado su comportamiento con la intencin de

optimizarlo.

El Departamento de Ciencias de la Energa y Mecnica de la Escuela

Politcnica del Ejrcito, carece de un banco de pruebas o un dispositivo en el

que se pueda investigar este tipo de bombas tan importantes, econmicas y

prcticas para los sectores agrcola, ganadero e incluso el productivo de

nuestro pas


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5

1.3 Objetivos

1.3.1 General

Disear y construir un banco de pruebas y evaluacin del

comportamiento, desempeo y eficiencia de bombas de espiral.

1.3.2 Especficos

Disear y construir un equipo de laboratorio desarmable, durable,

liviano, de bajo costo y de fcil uso en el que se pueda modificar y

graduar experimentalmente diferentes magnitudes y parmetros

de diseo de bombas de espiral.

Dotar al Laboratorio de Energas Renovables un equipo con fines

experimentales, didcticos y pedaggicos; que evale el

comportamiento y desempeo de bombas de espiral,

contribuyendo a la excelencia acadmica y al desarrollo fsico de la

institucin.

Proveer un instrumento experimental en el que se demuestren

fundamentos tericos sobre bombas en espiral y mediante pruebas

se llegue a conclusiones y recomendaciones validas para un

ptimo diseo de las mencionadas bombas.

Establecer criterios y parmetros de diseo de bombas en espiral

mediante el uso del equipo banco de pruebas a construirse.

Establecer parmetros de uso del equipo a construirse con fines

experimentales y pedaggicos, determinando rangos de variacin

de magnitudes y tabulando la incidencia de los mismos en el

desempeo de la bomba de espiral.


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6

1.4 Justificacin e importancia del Proyecto

La necesidad de la energa a nivel mundial es tan evidente que referirse a

ello constituye un tpico de amplia discusin. Su empleo es indispensable y

generalizado en todas las actividades humanas. Los actuales recursos

energticos son limitados, aunque parezcan abundantes y que desde el

punto de vista econmico son bienes escasos y, por tanto, su uso debe ser

racional, evitndose el despilfarro y el deficiente uso en actividades donde se

puede emplear dispositivos sencillos, econmicos y que usen energa

renovable como es el caso de la bomba de espiral que nos sirve para la

extraccin de agua con varios fines en diversos campos como son la

agricultura, piscicultura, ganadera y en determinados procesos industriales.

El agua es esencial para la mayora de las formas de vida conocidas por el

hombre, incluida la humana. Estudios de la FAO, estiman que uno de cada

cinco pases en vas de desarrollo tendr problemas de escasez de agua

antes del 2030; en esos pases es vital un menor gasto de agua en la

agricultura modernizando los sistemas de riego. Se estima que

aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura. El agua

en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial. El

consumo domstico absorbe el 10% restante.

Lo descrito anteriormente, nos indica claramente que la investigacin de

nuevas fuentes de energa, as como un manejo responsable de recursos

hdricos, es vital para el bienestar del ser humano y de la subsistencia de la

economa mundial; Esta realidad debe ser ms atendida por estudiantes,

docentes e investigadores de la rama de la energa por lo que el

Departamento de Ciencias de la Energa y Mecnica de la ESPE debe

apuntar a la investigacin y desarrollo de fuentes de extraccin y usufructo

de energa, involucrando a todo su capital humano. Un gran ejemplo de

aprovechamiento de energa renovable y limpia representa la bomba de


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espiral, a ms de ser una solucin simple y econmica para el manejo de

agua con fines agrcolas y productivos.

Por ello la necesidad imperiosa del presente proyecto, ya que a ms de ser

un aporte cientfico y tcnico, dota al laboratorio de la institucin de un banco

de pruebas con fines experimentales, didcticos y pedaggicos, que evale

el comportamiento y desempeo de bombas de espiral, contribuyendo a la

excelencia acadmica y al desarrollo fsico de la ESPE.

Dispositivo sencillo y funcional que facilita la regulacin de la mayor cantidad

posible de magnitudes y parmetros que varen el desempeo de dichasbombas, demostrando fundamentos tericos y obteniendo criterios y

parmetros validos hacia un ptimo diseo de este tipo de bombas.

El presente proyecto, es de mucha importancia tanto para la formacin de

los estudiantes, investigadores y docentes del Departamento de la Energa y

Mecnica de la ESPE como para la sociedad, ya que contribuye en la

investigacin y desarrollo de tecnologas de aprovechamiento de energa.

Bsicamente, el presente proyecto tiene impacto directo en los campos

cientfico experimental y productivo tanto para los docentes, investigadores y

estudiantes de la institucin como para la sociedad.

Impacto en el campo cientfico y experimental porque facilita la investigacin,

genera destreza con un alto impacto pedaggico en estudiantes,

investigadores y docentes al ser ellos quienes manipulan el dispositivo,

analizan didcticamente los diferentes comportamientos producidos al variar

magnitudes y estudian criterios de diseo ptimo orientados a incrementar

la eficiencia de estas bombas de gran utilidad. Adicionalmente esto estimula

la creatividad.

Promete un potencial impacto en el campo productivo por el hecho de

abaratar los costos de extraccin y movimiento de agua y por lo tanto el


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beneficio se puede extender a cualquier rama del sector agrcola, pisccola,

ganadero y productivo del pas. Adicionalmente esta tecnologa puede ser

multiplicada fcilmente al ser estas bombas muy fciles de construir y

replicar. De manera especial, estas bombas pueden ser utilizadas

especialmente para aplicaciones de riego incrementando significativamente

la produccin agrcola.

Es factible la ejecucin e implementacin del presente proyecto, debido a la

importancia descrita, y a la evidente necesidad de su aporte cientfico as

como la necesidad de este dispositivo en el Laboratorio de Energas

Renovables de la ESPE.

Adems este proyecto est totalmente sustentado con argumentos tcnicos

y conocimientos adquiridos al estudiar la Carrera de Ingeniera Mecnica.

1.5 Alcance del proyectoDisear y construir un banco de pruebas para bombas de espiral, con fines

experimentales, didcticos y pedaggicos, que sea desarmable, trasladable,

durable, y de de fcil uso; en el que se pueda evaluar el desempeo y la

eficiencia de bombas de espiral modificando y graduando las siguientes

magnitudes:

Dimetro de manguera enrollada, dimetro de manguera de descarga, radio

de rueda, porcentaje sumergido, nmero de espiras, boca de entrada y

nmero de paletas. Con el propsito de variar el comportamiento y la

eficiencia de dichas bombas, demostrando fundamentos tericos y

obteniendo criterios y parmetros validos para un ptimo diseo de bombas

en espiral. Este equipo ser donado al laboratorio de Energas Renovables

contribuyendo a la excelencia acadmica y al desarrollo fsico de la ESPE.


29/120

9

El equipo est diseado para que el usuario pueda modificar y graduar

fcilmente las diferentes magnitudes y parmetros de diseo de bombas de

espiral, para facilitar el estudio y comportamiento de dichas bombas.

Dispone de diez combinaciones diferentes de magnitudes combinadas

utilizando mangueras de 1 y de con varias opciones de ajuste y con

proyeccin a futuro de ampliar estas posibilidades a muchas ms.

Est diseado para ser usado tanto en fuentes naturales de agua como ros,

acequias, canales de riego, etc. Como tambin para ser usado con untanque con agua.


30/120

10

CAPITULO II:

MARCO TERICO

2.1 Bomba.

Una bomba es un dispositivo que sirve para transferir, elevar o comprimir

lquidos y gases. [1]

2.2. Bomba de Espiral

Una bomba de Espiral es un dispositivo til para transferir agua desde una

acequia, ro o vertiente hasta un determinado sitio cercano. Este invento

consiste fundamentalmente en una manguera enrollada de tal manera que al

rotar ingresan por la boca de manera alternada tramos de agua y aire. El aire

es comprimido con el agua en cada espira y a la salida se obtiene una presin

tal que logra elevar el fluido debido a dos principios: la presin hidrosttica y el

empuje de la burbuja de aire.

La bomba de espiral rota gracias al impulso del agua transmitido hacia el

dispositivo gracias a sus paletas, de tal manera que utiliza la energa cintica

de un rio o acequia para funcionar, la cual es una fuente energtica limpia y

gratuita y no necesita de combustibles fsiles ni energa elctrica para su

funcionamiento.

Cabe recalcar que una vez colocado correctamente el dispositivo, ste tiene un

funcionamiento autnomo, sin necesidad de ser impulsado, ni manejado ni

operado.

Adems este dispositivo, es de construccin muy fcil y econmica; y su

mantenimiento es muy bsico y poco frecuente.


31/120

2.2.1. Partes elem

Anotamos l

que pueden

continuacin

Fi

2.2.1.1 Man

Es econf

form

est

ingr

esto

enro

rued

11

ntales de una bomba de espiral.

s diferentes partes de una bomba en

ser identificadas en la figura 2.1

:

. 2.1 Partes elementales de una bomba

uera enrollada

l conducto por el cual ingresan agua yrme gira el dispositivo. Este se

ando una rueda de espiras. La espira

conectada con la boca de entrada y

san al conducto el agua y aire conforme

fluidos pasan por todo el conducto

llado hasta llegar a la ltima espira, la

a, que est conectada a la articulacin h

espiral, las mismas

ue se encuentra a

de espiral

aire alternadamentencuentra enrollado

externa de la rueda

es por ah donde

gira la rueda, luego

que se encuentra

espira interna de la

idrulica.


32/120

12

2.2.1.2 Espiras

Estn conformadas por cada vuelta de la manguera enrollada en forma

de rueda, y son contadas a partir de la vuelta externa de la rueda hasta

la interna, cada una tiene un dimetro diferente, siendo mayor el de la

primera y el menor el de la ltima o interna.

2.2.1.3 Manguera de descarga

Es el conducto que transporta el fluido desde la articulacin hidrulica en

la bomba hacia el destino final donde se desea transportar el agua. Esta

manguera, a diferencia de la enrollada, no tiene movimiento y se

encuentra fija, tendida en el terreno y con direccin hacia el destino

deseado para el agua. La longitud de sta depende de la dimensin de

la bomba y de las caractersticas del terreno y del lugar de destino del

agua.

2.2.1.4 Articulacin Hidrulica

Es un elemento ubicado en el centro de la rueda formada por la

manguera enrollada, su funcin es unir el paso del flujo desde la

manguera enrollada que se encuentra girando con la manguera de

descarga que se encuentra fija, tendida en el terreno y con direccin

hacia el destino final deseado para el agua.

2.2.1.5 Boca de Entrada

Es una abertura por donde ingresan los fluidos de agua y aire

alternadamente conforme gira la rueda y se sumerge en el agua. Est

conectado al extremo externo de la manguera enrollada y su funcin es

de captar el ingreso del agua y facilitar un ptimo ingreso hacia la

manguera. El dimetro de la boca de ingreso debe ser mayor que el de la


33/120

13

manguera y tanto su forma como su longitud pueden variar en funcin de

las caractersticas del ro, acequia, etc. adems de las caractersticas de

la bomba. Todo en busca de una mayor eficiencia de la bomba.

2.2.1.6 Paletas

Su funcin es recibir la fuerza del movimiento del agua del rio o

acequia para impulsar a la rueda a que gire; es decir, toma la

energa cintica del movimiento del agua y la trasfiere a la rueda

para que sta gire. Estas se encuentran distribuidas uniformementealrededor del borde externo de la rueda y se sumergen al agua

conforme gira la rueda. Pueden ser de madera o plstico.

2.2.1.7 Radios Estructura

Estos son parte de una estructura de soporte y anclaje de la

manguera enrollada cuya nica funcin es sujetar la manguera

para que se mantenga enrollada formando una rueda que gira.

Tambin a estos radios se pueden sujetar las paletas, articulacin

hidrulica, etc.

2.2.1.8 Nivel de agua

Es la lnea que forma la superficie del agua del rio o acequia. Bajo

sta se sumergirn las paletas ubicadas en la parte inferior de la

rueda mientras sta gira, adems de cierto porcentaje de la rueda.

2.2.2 Funcionamiento de una bomba de espiral

Al rotar la bomba en espiral, ingresan por la boca de entrada agua y aire

alternadamente, para luego pasar por la manguera enrollada donde el


34/120

aire es com

a la salida s

dos principio

2.2.2.1 Pres

Un fl

del r

obje

hidrperp

obje

cara

pres

sup

cues

calc

Don

e

es

seg

e

ejer

sum

La p

con

14

rimido con el agua en cada espira conf

e obtiene una presin tal que logra elev

s: la presin hidrosttica y el empuje de

in hidrosttica

uido pesa y ejerce presin sobre las pa

ecipiente que lo contiene y sobre la su

o sumergido en l. Esta presin,

sttica, provoca, en fluidos en rendicular a las paredes del recipiente

o sumergido sin importar la orientaci

s. Si el lquido fluyera, las fuerzas

iones ya no seran necesariamente pe

rficies. Esta presin depende de la den

tin y de la altura a la que est sumer

la mediante la siguiente expresin:

e, usando unidades del SI,

s la presin hidrosttica (en pascales);

la densidad del lquido (en kilogramos s

es la aceleracin de la gravedad

ndo al cuadrado);

la altura del fluido (en metros). Un

e fuerzas perpendiculares sobre

rgida en su interior

es la presin atmosfrica. [3]

resin es a su vez proporcional a la pr

respecto a la superficie, y es indepen

rme gira la rueda y

ar el fluido debido a

la burbuja de aire.

edes sobre el fondo

erficie de cualquier

, llamada presin

poso, una fuerzaa la superficie del

n que adopten las

resultantes de las

rpendiculares a las

sidad del lquido en

gido el cuerpo y se

(2.1)

obre metro cbico);

(en metros sobre

liquido en equilibrio

ualquier superficie

ofundidad del punto

iente del tamao o


35/120

form

verti

mis

A m

Una

en

los p

Fig.

Don

P= p

En c

con

se c

mag

15

a del recipiente. As, la presin en el f

al llena de agua de 1 cm de dimetro y

a que en el fondo de un lago de 15 m

yor profundidad, la presin ser mayor.

bomba en espiral se analiza mediante u

conectados como el de la figura 5, do

rincipios descritos anteriormente. [6]

2.2 Anlisis de presin de Bombas

e la ecuacin de la presin sera:

*( h1+h2+h3+.+hn)+Po

ada espira, el volumen de lquido es co

la diferencia de altura se aumenta la pr

omprime, reducindose su volumen y r

nitudes por la ley de Boyle.

ndo de una tubera

15 m de altura es la

de profundidad. [1]

n conjunto de tubos

de se aplican todos

de espiral.

(2.2)

stante mientras que

sin del aire y ste

lacionndose estas


36/120

16

1 1 (2.3)

El teorema de Bernoulli implica una relacin entre los efectos de

la presin, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad

aumenta cuando la presin disminuye. [1]

A bajas velocidades, los fluidos circulan con un movimiento

suave llamado laminar, que puede describirse mediante las

ecuaciones de Navier-Stokes. A velocidades altas, el movimiento

de los fluidos se complica y se hace turbulento.

Cuando circulan por tubos, la transicin del movimiento laminar

al turbulento depende del dimetro del tubo y de la velocidad,

densidad y viscosidad del fluido. Cuanto mayores son el

dimetro, la velocidad y la densidad, y cuanto menor es la

viscosidad, ms probable es que el flujo sea turbulento. [1]

2.2.2.2 Empuje de la burbuja de aire (Air lift)

Es el principio que permite a la bomba crear columnas de agua

dentro de cada espira, conforme gira la rueda ingresando aire y

agua alternadamente, este mismo fenmeno se da en la tubera

se descarga aumentando la altura de elevacin. [4]

El aire que se comprime a medida que avanza hacia el centro dela rueda, luego se expande a medida que aumenta la tubera de

descarga, produciendo un efecto de elevacin en el agua. [4]

Las ecuaciones detalladas a continuacin fueron propuestas por

F. A. Zenz en 1993 proporcionando una relacin para estos

parmetros: [5]


37/120

Fluj

Fluj

Don

A esD elL esS es

VGVL e_G_L

17

de la bomba (adimensional) [5]

, log

de aire (adimensional) [5]

e:

el rea de la seccin [pies cuadrados]dimetro interior de la tubera [plg.]la altura de ascenso [plg.]el rea sumergida [pies]

s el flujo de gas [pie3/min]s la densidad del fluido [gal/min]es la densidad del gas [lb/pie3]es la densidad del lquido [lb/pie3]

rafica. 2.1 Grafica curva de Zenz de fluj

(2.4)

(2.5)

o agua aire [5]


38/120

18

2.2.3 Diseo de una bomba de espiral.

Un mtodo de obtener el nmero de espiras aproximado para la

construccin de una bomba en espiral ha sido deducido usando la ley de

Boyle. [4]

Suponemos que las espiras estn representadas como una serie

esttica de tubos en U interconectados. Cada tubo es dimensionado

para ser de igual volumen del agua (asumido para permanecer

constante y ser igual a la mitad del volumen total de la primera bobina)

por lo tanto el mismo volumen para el aire. Desde que el aire es

comprimido, el volumen total de cada respectivo tubo en U decrecera

conforme se acerca a la espira interna de la rueda. [4]

Suponemos tambin que dentro de la primera espira as como en todas

las dems espiras, la altura de salida o longitud de descarga producida

por cada espira es igual al dimetro de esa espira. [4] Esta dimensin

realmente es la medida desde la pared superior de la tubera que seencuentra al pie de la espira, hasta la pared inferior de la tubera

encontrada en la parte alta de la espira. [4]

Sin embargo, esta diferencia entre lo asumido y lo real para esta

dimensin es despreciable por un margen de error inferior al 5 %. [4]

La presin atmosfrica ser la presin de la primera espira mas el

dimetro de la rueda.

Conocemos el dimetro de la rueda, por lo tanto el volumen de la

primera espira y tambin la longitud de descarga y la presin

manomtrica requerida en la espira n. Luego determinamos el volumen

de la espira n, mediante su longitud de descarga o dimetro de dicha

espira. [4] Posteriormente de la relacin indicada procedemos a

despejar el dimetro de la espira n.


39/120

19

Detalle a continuacin:

D Dimetro de la primera espira o externa.

h1 Altura de descarga de la primera espira.

1 (2.6)P1 Presin de la primera espira.

Pn Presin de la espira n.

Patm. Presin atmosfrica.H Altura total de descarga

1 (2.7) (2.8)d Dimetro interno de la tubera.

V1 Volumen de la primera espira o externa.

Vn Volumen de la espira n.

hn Altura de descarga de la ultima espira n

o dimetro de la ultima espira n.

1 (2.9) (2.10)

Partimos de la ley de Boyle:

1 1


40/120

20

Se eliminan , entonces

(2.11)

Con el dimetro de la espira n, el nmero de espiras puede ser

determinado suponiendo que la longitud promedio de descarga entre la

primera espira y la espira n, multiplicado por el nmero de bobinas le

dar la longitud de descarga total. [4]

Al disear una bomba espiral, una vez determinado el nmero de

espiras, debe aadirse un 20 %. Esto minimizar los efectos de utilizar

cualquier dimetro de tubera y otras variables. [4]

A continuacin detalle:

n Nmero de espiras

Partimos entonces de la estimacin:

(2.12)

(2.13)Al valor de n hay que aadirle un 20% mas.

Ntese que el dimetro de la tubera fue eliminado de ambos lados de la

ecuacin; por lo que primeramente se debe calcular el nmero de

espiras como se detalla anteriormente en funcin de una presin

requerida o de una longitud de descarga requerida, para luego proceder

a seleccionar el dimetro de tubera mas cmodo para enrollar haciendo

la respectiva espiral.


41/120

21

2.2.4 Eficiencia de una bomba de espiral.

Para hallar la eficiencia de una bomba de espiral, partimos de la

eficiencia de cualquier mquina que viene dada por la expresin.

(2.14)Donde W se refiere a trabajo [4]

El trabajo de salida se expresa mediante la ecuacin.

(2.15)

Donde:

: Densidad del agua ( 8.34 lib/gal) [9]

V: Volumen de descarga en galones.

H: Altura de descarga en pies

De manera que Wsalida nos queda en libras pie mediante la expresin:

[4]

8

(2.16)

El trabajo de entrada se determina mediante la ecuacin:

(2.17)

Entonces

(2.18)

Donde

F: Fuerza aplicada a la rueda (lb)

Rev: Nmero de revoluciones que da la rueda en un

tiempo en descargar un volumen V de agua.

D: Dimetro de la rueda.


42/120

22

Wentrada tambin nos quedara en lb-pie. [4]

La fuerza F nos sale mediante la ecuacin: [2]

(2.19)Conocemos adems que:

2 1 (2.20)Para nuestro caso en particular conocemos que si partira del reposo,

entonces

V1=0, entonces v2 sera el valor de vEntonces

(2.21)Para hallar v nos basamos en la frmula: [7] [8]

(2.22)Donde

: Velocidad angular de la rueda en rpm.

r: Radio distancia en pies desde el centro de la rueda al centro de la

paleta que es el lugar medio donde se aplicara la fuerza F.

Para nuestra rueda sera 3.85 pie.


43/120

23

CAPITULO III

DISEO DEL BANCO DE PRUEBAS

3.1 Diseo de la rueda.

Clculo de pesos de las mangueras:

[14]

Manguera de 3/4"

cm.

cm.

Volumen de manguera

Calculo de masa

g.

Kg.

Calculo de peso

N.

Manguera de 1"

cm.

cm.

Volumen de manguera

polietileno 0.9:=g

cm3

di 1.90:=

de 1.905 0.+:=

V1 de

2

4

di2

4

680:=

V1 1.413 104

= cm3

m1 polietileno V1:=

m1 1.342 104

=

m1m1

1000:=

m1 13.425=

w1 m1 9 .81:=

w1 131.699=

di 2.5:=

de di 0.8+:=

V2 de

2

4

di2

4

6800:=

V2 2.512 104

= cm3


44/120

24

Calculo de masa

g.

Kg.

Calculo de peso

N.

Calculo de pesos del agua:

[2]

Manguera de 3/4"

cm.

Volumen de manguera

Calculo de masa

g.

Kg.

Calculo de peso

N.

m2 polietileno V:=

m2 2.387 104

=

m2m2

1000:=

m2 23.867=

w2 m2 9 .81:=

w2 234.131=

agua 1:=

di 1.90:=

V3 di

2

4

6800:=

V3 1.938 104

= cm3

m3 agua V:=

m3 1.938 10

4

=

m3m3

1000:=

m3 19.382=

w3 m3 9 .81:=

w3 190.133=

g

cm

3


45/120

25

Manguera de 1"

cm.

Volumen de manguera

Calculo de masa

g.

Kg.

Calculo de peso

N.

Calculo de peso de los radiosMadera colorado:

[15]

g.

En total son 16 tablas

Kg.

Calculo del peso

N.

di 2.5:=

V4 di

2

4

680:=

V4 3.446 104

= cm3

m4 agua V:=

m4 3.446 104=

m4m4

1000:=

m4 34.456=

w4 m4 9.81:=

w4 338.014=

g

cm3colorado 1.0:=

V5 120 5 3:=

cm3

V5 1.8 103

=

m5 colorado V:=

m5 1.854 103=

m5m5 16

1000:=

m5 29.664=

w5 m5 9 .81:=

w5 291.004=


46/120

26

Calculo de peso de las paletasMadera seike:

[16]

g.

Kg.

Clculo del peso

N.

Calculo de peso de las placas redondas de acero

[17]

Dimetro de las placas:

cm.

Calculo de masa

kg.

seike 0.5:= g

cm3

V6 30 18 :=

V6 1.08 103

= cm3

m6 seike V:=

m6 604.8=

m6m6 8

1000

:=

m6 4.838=

w6 m6 9 .81:=

w6 47.465=

acero 7.85:=g

cm3

dp 3:=

V7 dp( )

2

40.7:=

V7 558.418= cm3

m7 acero V:=

m7 4.384 103

= g

m7m7 3

1000:=

m7 13.151=


47/120

27

Clculo del peso

N.

Calculo de peso de las manzanas de acero

Dimetros de la manzana

cm.

cm.

Calculo de masa

kg.

Clculo del peso

N.

Calculo de peso de los pernos de acero de 5/8 con sus tuercas

Dimetro de los pernos:

cm.

w7 m7 9 .81:=

w7 129.009=

dme 7.01:=

dmi 3.81:=

V8

dme( )2

4

dmi2

4

3.12:=

V8 84.98= cm3

m8 acero V:=

m8 667.094= g

m8m8 2

1000:=

m8 1.334=

w8 m8 9 .81:=

w8 13.088=

dpe 1.5:=

V9 dpe( )

2

414

2.42

41.5 2( )+:=

V9 41.37= cm3


48/120

28

Calculo de masa

En total son 16 pernos

kg.

Clculo del peso

N.

Calculo de peso de los pernos de acero de 3/8 con sus tuercas

Dimetro de los pernos:

cm.

Calculo de masa

En total son 32 pernos

kg.

Clculo del peso

N.

m9 acero V:=

m9 324.751= g

m9m9 16

1000:=

m9 5.196=

w9 m9 9 .81:=

w9 50.973=

dpe2 0.9:=

V10 dpe2( )

2

40.9

1.432

40.8 2( )+:=

V10 3.208= cm3

m10 acero V1:=

m10 25.18= g

m10m10 32

1000:=

m10 0.806=

w10 m109.81:=

w10 7.904=


49/120

29

Calculo del peso del eje

cm.

Volumen del eje

Calculo de la masa

g.

Calculo del peso

Calculo del peso total que soporta el eje

deje 3.81:=

Veje deje

2

46:=

Veje 684.055= cm3

meje acero Vej:=

meje 5.37 103=

mejemeje

1000:=

meje 5.37= Kg

weje meje 9.81:=

weje 52.678= N

wrueda w1 w2+ w3+ w4+ w5+ w6+ w7+ w8+ w9+ w10+( ) weje+:=

wrueda 1.486 103

= N


50/120

30

Diseo del Eje de la Rueda

Caudal mximo de descarga

Velocidad angular de la rueda

Radio medido desde el centro de rueda

Calculo de velocidad v

Velocidad que rodea los 10 m/s, valor que alcanzaun ro en epocas de lluvia [18]

Calculo de la fuerza F

Ecuacin 16-4 de Mott [2],

N.

N.

Fuerza tangencial

Fuerza radial

Q 4:=gal

min

QQ 0.13

60:=

ft3

s

9:= rpm

2

60

:=rad

s

r 3.8:= pie

v r:=

v 36.285=pie

sv2 v:=

v1 0:=

v v2 v1:=

v 36.285=pie

s

agua 1.9:=lb s

2

pie4

F agua Q v:=

F 6.711= lb

F F 4.4:=

F 29.863=

Ft :=

Fr wrueda:=


51/120

31

D.C.L. del eje:

Fig. 3.1 D.C.L del eje

Cx Ft:=

Cy Fr:=

Plano yzMA 0:=

By Cy 300

150:=

By 2972.2= N( )

Fy 0:=

Ay By Cy:=

Ay 1486.1= N( )


52/120

32

Plano xz

Calculo de Torque:

N m.

Se establece una geometra para la flecha:

Fig. 3.2 Geometra de la flecha

Calculo de la resistencia Mecnica del eje

MA :=

Bx300Cx

150:=

Bx 59.7= N( )

Fx 0:=

Ax Bx C:=

Ax 29.9= N( )

T 1.25 C:=

T 37.329=


53/120

33

Los diagramas de fuerza cortante (V), momento flector (M) y torque (T) son los

siguientes:

PLANO YZ

Diagrama de fuerza Cortante:

Frmulas de tabla E9 de Shigley [19]

N.

N.

Fig. 3.3 Diagrama de fuerza cortante, plano yz

VABCy 0.15

0.15:=

VAB 1.486 103

=

VBC Cy:=

VBC 1.486 103

=


54/120

34

Diagrama de Momento FlectorPara el punto B: Frmulas de tabla E9 de Shigley [19]

Fig. 3.4 Diagrama de momento flector plano yz

MAB Cy 0.15 0.150.15

:=

MAB 222.915=

MBC Cy 0.15 0.15 0.15( ):=

MBC 222.915=


55/120

35

Diagrama de Torques

Fig. 3.5 Diagrama se torque

PLANO XZ

Diagrama de fuerza Cortante:

Frmulas de tabla E9 de Shigley [19]

N.

N.

VABxzCx0.15

0.15:=

VABxz 29.863=

VBCxz C:=

VBCxz 29.863=


56/120

36

Fig. 3.6 Diagrama de esfuerzo cortante, plano xz

Diagrama de Momento FlectorPara el punto B:

Frmulas de tabla E9:10 de Shigley [19]

MABxzCx0.15 0.15

0.15:=

MABxz 4.48=

MBCxz Cx 0.15 0.15 0.15( ):=

MBCxz 4.48=


57/120

37

Fig. 3.7 Diagrama de momento flector, plano xz

Diagrama de Torques

Fig. 3.8 Diagrama de torque


58/120

38

Seleccin del Material

Eje de Trasmisin: SAE 1018

Propiedades Mecnicas: Laminado en Fro

Tabla 3.1 Propiedades del acero 1018

Proveedor: - DIPAC S.A.

Seccin A

Torque en la seccin A

Dametro del eje en la seccin A

Esfuerzo de torsin en la seccin A

El cortante directo es despreciable en comparacin a la torsin, por lo que no se toma en cuenta.

Teora del esfuerzo cortante mximo (Conservadora)

La seccin A resiste fcilmente.

min,31

51-71

20%

57%

163 HB

Reduccin de rea, Z

Dureza

Propiedades: Laminado en FroEsfuerzo de cedencia, Kg/mm^2

Resistencia a la Traccin,Kg/mm^2

Elongacin, A5

Su 51 9.81:=Sy 31 9.81:=

Su 500.31= MPa( )Sy 304.11= MPa( )

Ts T 100:=

Ts 37329= N mm( )

d 38.1:= mm( )

16 Ts

d3

:=

3.438= Mpa( )

FsSy

2:=

Fs 44.234=


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39

Seccin B'

Se analizar la seccin B' porque tiene el momento flector mas grande y torsin

Dametro del eje en la seccin B'

Esfuerzo de flexin en la seccin B'

Esfuerzo de torsin en la seccin B'

No existe cambio de seccin:

(Criterio conservador (q = 1)

MABxz MABxz 100:=

MABxz 4.48 103

= N mm( )

MAByz MAB 100:=

N mm( )MAByz 2.229 10

5=

MtB' MAByz2

MABxz2

+:=

MtB' 222960= N mm( )

d 38.1:= mm( )

b 32 MtB'

d3

:=

b 41.063= Mpa( )

16 Ts

d3

:=

3.438= Mpa( )

Kt1 1:=

Kft Kt1:=

Kts 1:=

Kfs Kts:=


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40

Anlisis por fatiga

Fig. 3.9 Seccin con esfuerzos m y a

Teora del esfuerzo cortante mximo ( Conservadora )

Fig. 3.10 Seccin con esfuerzos equivalentesResistencia a la fatiga

Ecuacin 7-10 de Shigley [19]

Tabla 7-7 de Shigley [19]

m Kts :=

a :=

bmax b:=

bmin b:=

mbmax bmi+

2:=

m 0= Mpa( )

abmax bmi

2:=

a 41.063= Mpa( )

eqm m2

4+:=

eqm 6.875= Mpa( )

eqa a2

4a+:=

eqa 41.063= Mpa( )

Su 500.31= Mpa( )

Sy 304.11= Mpa( )

ktamao 1.24d 0.10

:=

ktamao 0.84=

kcarga 0.5:=


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41

Tabla 7-5 de Shigley para maquinado [19]

Laminado en frio

confiabilidad del 90%

Clculo del factor de seguridad (Sodelberg)

La seccin B' resiste.

Clculo de rigidez de la flecha

El anlisis de rigidez se lo hara para una seccin transversal constante de = 38.1 mm.

Dametro de la seccin

Inercia de la seccin

Longitud desde apoyos de la flecha

Mdulo de elasticidad del acero

Plano yz

Tabla E 9-10 de Shigley [19]

Se fleja al rededor de 0.15 mm hacia

abajo

ksuperficie 4.45Su 0.265

:=

ksuperficie 0.857=

kconf 0.89:=

Se 0.5 Su kcarga ktamao ksuperficie kconf:=

Se 95.319= Mpa( )

FsSy

eqmSy

Seeqa+

:=

Fs 2.206=

d 38.1= mm( )

I d

4

64:=

I 1.034 105

= mm4)

L 15:= mm( )

E 210 103

:= Mpa( )

YmaxCy L

2

3 E I L L+( ):=

Ymax 0.154= mm( )


62/120

42

Clculo de vibraciones

Para analizar las vibraciones de eje se utilizar un mtodo aproximado

calculando la velocidad natural de vibracin del eje y compararla con la

velocidad angular a la que este gira.

Peso de la rueda

Peso de la rueda

Peso del eje

Peso del eje

Calculo de la deflexion

Clculo de las velocidades naturales de vibracin

Comprobacin que el eje no gire a una velocidad cercana a su velocidad

natural de vibracin

Velocidad Natural de Vibracin Final

Deflexin mxima en el eje

Peso total del eje

Wrwrueda

9.81:= Kg( )

Wtotalweje

9.81:= Kg( )

Wo Wtotal Wr+:=

Wa Wo 100:=

y2Wo 600

2 9.8

3 E I:=

Nn230

9800 Wo y2( )

Wa y22

:=

Nn2

903.604=

Ymax 0.03:=

Wtotal 5.37= Kg( )

Wu Wtotal Wr+:=


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43

Capacidades de carga recomendable para el eje

Peso Mximo 300 Kg. Mxima capacidad

Peso mximo recomendado 241.48 Kg. Peso mximo recomendado

Peso utilizado actualmente 151.48 Kg Rueda existente con dos

espiras de manguera ms

elementos de sujecin

Peso de incremento

mximo recomendable

90 Kg Equivalente aproximadamente

a una espira adicional mas sus

respectivos elementos de

sujecin o dos espiras

similares de manguera

adicionales anclados a los

radios y elementos de sujecin

existentes

Tabla 3.2 Tabla de capacidades de carga del eje

Comprobamos que el eje no gire a una velocidad cercana a su velocidad natural devibracin

Mientras estas relaciones estn ms lejos de 1, la velocidad de rotacin de la flecha respectoa la velocidad natural de vibracin estarn ms distantes.

Nfinal30

9800Wu Ymax

Wo Ymax2

:=

Nfinal

9057.821=


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44

3.2 Diseo de la estructura de soporte.

Para realizar el diseo de la estructura se utiliz el software SAP2000

versin 14 para clculo estructural.

En las secciones siguientes se presentan los respectivos anlisis de la

estructura obtenidos con el mencionado software.

3.2.1 Materiales utilizados en la estructura.

CODIGO DESCRIPCIN

2 plg. Tubo seccin cuadrada 2, espesor 3,5 mm.

1 plg. Tubo seccin cuadrada 1, espesor 3,0 mm.Redondo plg. Tubo seccin redonda D1/2, espesor 2.5

mm.

Canal Canal de 2x1, espesor 3 mm.

Tabla 3.3 Materiales utilizados en la estructura.

Fig. 3.11 Vista 3D en SAP de estructura asignada los materiales


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45

Fig. 3.12 Ingreso de dimensiones de secciones de elementos

3.2.2 Cargas asignadas a estructura:

Las cargas asignadas corresponden a las obtenidas en el diseo de

la rueda en la seccin 3.1, debido a que la estructura trabaja

soportando la rueda y la carga lateral debido al agua del ro.

Fig. 3.13 Ingreso de propiedades de cargas


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46

CODIGO CARGA DESCRIPCION

DEAD Carga debido al peso de la estructura

RUEDA Cargas debido a soportar la rueda

RIO Carga distribuida debido a la corriente del ro

o fuente de agua

DESCARGA Carga estimada debido a los elementos de la

descarga.

Tabla 3.4 Detalle de las cargas asignadas.

3.2.3 Anlisis de estructura:

Fig. 3.14 Anlisis de la demanda capacidad.

Con los resultados obtenidos de la demanda capacidad, se tiene que se

encuentra en la zona celeste, la misma que corresponde a valores de

demanda capacidad inferiores a 0.5, lo que nos indica que la estructura.


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47

soporta sin problemas las cargas asignadas ya que dicho resultado es

mucho mejor mientras ms se aleje de 1.

Fig. 3.15 Resumen resultante de anlisis de estructura


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48

Fig. 3.16 Reacciones resultantes de anlisis de estructura


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49

3.2.4 Anlisis de carga mxima

Se analiz con el software SAP la estructura simulando cargas

adicionales que representaran una tentativa colocacin de una segunda

rueda de dimensiones y peso similar a la existente, con el fin de observar

si la estructura soporta o no.

En un primer anlisis se coloc una segunda rueda articulada a la

existente y se obtuvo una demanda capacidad de algunos elementos en

la zona roja, lo que nos indica que los mismos no soportaran si se

colocara una rueda adicional articulada a la existente

Fig. 3.17 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda

articulada a la existente

Se observa que en color rojo estn los elementos de seccin cuadrada de

1 donde se asienta la rueda, los mismos que seran los que no

soportaran, tambin se observa que la viga horizontal de seccin 2 plg.

sobre la cual se asienta la rueda, trabaja presenta un color amarillo, lo

que ya nos indica que tiene una demanda capacidad entre 0.7 y 0.9, lo

cual sera un trabajo muy al lmite.


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50

En un segundo anlisis se coloca una segunda rueda del otro lado de la

estructura, de manera que ambas ruedas queden paralelamente una

frente a la otra.

Se aclara que para colocar otra rueda, se deberan adems aadir los

elementos respectivos para asentar dicha rueda, adems de los

elementos de 1 presentes en el otro lado de la estructura, los mismos

que refuerzan la viga de 2.

Fig. 3.18 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda

colocada del otro lado de la estructura.

Observamos que en este caso la estructura presentara una demanda

capacidad menor a 0.5, pero la viga horizontal donde se asentara la

segunda rueda, trabaja hasta con demanda capacidad de hasta 0.7, lo

que seran parmetros normales de funcionamiento pero ya no se

recomienda aumentar ms.


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51

3.2.5 Carga mxima recomendable para la estructura

Observando los resultados obtenidos en el anterior anlisis, se detalla que

de existir la futura posibilidad de aumentar las ruedas de espirales, se

recomienda lo siguiente.

Ruedas existentes 1 de 151.68Kg.

Numero mximo de ruedas

recomendado.

2

Disposicin Paralelas, una frente a la otra, una

de cada lado de la estructura

Peso mximo recomendado de

cada rueda (Verificar Tabla 3.2

Tabla de capacidades de carga del

eje

241.48 Kg cada rueda

Tabla 3.5 Detalle de carga mxima recomendable de estructura.


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52

CAPTULO lV

CONSTRUCCIN DEL BANCO DE PRUEBAS.

4.1 Desarrollo de Banco de Pruebas

4.1.1 Caractersticas del banco de pruebas.

Al momento de disear el dispositivo se pens con gran detenimiento

en la finalidad de este producto y por lo tanto en el uso que ste

tendra como equipo del laboratorio de energas renovables de la

ESPE y en la utilidad que debe proveer al usuario.

Por lo tanto, se parti con la idea que del dispositivo se debera tomar

datos lo ms cercanos a la realidad como sea posible, por lo tanto se

deba construir una rueda de buenas prestaciones como para trabajo

real.

Con esto se lleg a la conclusin de que la rueda debe construirse de

un buen tamao, ya que para este tipo de bombas sera la nica

manera de que los datos arrojados muestren de manera clara sus

verdaderas tendencias al variar las magnitudes de diseo.

Al mismo tiempo se consider que el equipo debe ser totalmente

desarmable, de material durable y de fcil uso en el que se pueda

modificar y graduar experimentalmente diferentes magnitudes y

parmetros de diseo con el propsito de evaluar el comportamiento

de bombas de espiral.

4.1.2 Construccin de estructura de la rueda

La rueda, como se indic anteriormente deba ser de grandes

dimensiones, por lo que haba que construir primeramente una

estructura que soporte el peso de la manguera con el agua y sta

debera girar libremente.


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53

Se parti de la idea de utilizar un eje conectado a chumaceras, de

manera que gire libremente, y sobre dicho eje armar la estructura y la

rueda.

Se utiliz entonces un eje de acero 1030 al frio de pulgada y media de

dimetro y 23,6 pulgadas de longitud.

A este eje, mediante una chaveta, se sujetan tres placas de acero

4340, redondas de 30 cm. de dimetro y 8mm de espesor.

Dicha geometra redonda de las placas se logr mediante el uso de

proceso de oxicorte y posteriormente se us amoladora para dar unterminado uniforme en los bordes.

Fig. 4.1 Fotografas de eje y placas utilizadas en la rueda.


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54

Entre estas placas se ajustarn mediante pernos dos juegos de radios

de madera que sern los que formen la rueda de soporte. Dos juegos

de radio porque se colocaran dos espiras de manguera, uno a cada

lado de la rueda y con proyeccin a amarrar espiras adicionales en

cada lado.

Se colocarn entonces en el eje una placa, junto un juego de radios

de madera, junto otra placa, luego junto otro juego de radios y

finalmente junto otra placa; quedando as una placa en cada extremo

y una en el centro entre los radios.

Estas placas tienen una separacin de pulgada y cuarto, que ser lamedida del ancho de los radios para formar la rueda.

Para formar esta separacin se adicion entre las placas dos

manzanas de acero de 3 pulgadas de dimetro y la pulgada y cuarto

de ancho, sujetadas al eje mediante la chaveta y aseguradas

mediante prisioneros de 23/64 y 6/8 de longitud.

Fig. 4.2 Fotografas de chaveta, manzana y prisionero a colocarse en

eje junto con las placas


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55

Mientras tanto que en las placas se realiz los orificios centrales de

pulgada y media con su respectivo chavetero, luego se taladr en

cada placa los 16 orificios de dimetro 5/8. Estos orificios estaban

dispuestos dividiendo la circunferencia en 8 partes iguales ubicando

simtricamente dos orificios en cada divisin.

Fig. 4.3 Fotografas de placas agujereadas y colocadas

correctamente en el eje.

Estos orificios representaran los agujeros por donde pasaran los

pernos para ajustar los radios.

Alrededor de una placa van 8 radios cada uno de estos sujetado condos pernos, dando un total de 16 radios.

Estos radios sern de madera colorado por ser resistente. Y sus

dimensiones sern de 120 cm x 5 cm x 2 cm.

Fig. 4.4 Fotografas de los radios de madera colorado cortados, y

durante el proceso de taladrado de los agujeros.


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56

Las tres placas y los dos juegos de radio van ubicados paralelamente,

adems de sus orificios simtricamente ubicados de modo que 16

pernos de 5/8 ajustan las 3 placas con los dos juegos de 8 radios.

Fig. 4.5 Fotografas de ensamblaje de la rueda de soporte


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57

Los 16 pernos de 5/8 sern ajustados con sus respectivas tuercas de

presin.

Fig. 4.6 Fotografas de estructura de rueda ensamblada

Esta estructura girar gracias a dos chumaceras de piso de una

pulgada y media que le sern colocadas en un extremo del eje.

Fig. 4.7 Fotografas de chumaceras a utilizarse para el giro.

4.1.3 Construccin de Paletas

La bomba ser diseada para girar en un ro o acequia, impulsada por

la fuerza de la corriente del agua; o sea que girar utilizando la

energa cintica del agua.

Las paletas son elementos ubicados al borde de la rueda, de modo

que reciban la energa de la corriente del agua y transmitan hacia la

rueda impulsndola a girar. En este proyecto se colocaron ocho

paletas alrededor de la circunferencia de la rueda, cada una ajustada

en cada par de radios de la rueda mediante 4 pernos de 3/8.


78/120

58

Las paletas se hicieron de madera seike por ser liviana, se cortaron

tablas de 30 cm x 19cm x 20 mm de espesor.

Fig. 4.8 Fotografas de preparacin y colocacin de paletas


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59

4.1.4 Construccin de bobinas en espiral.

Se colocaron dos espiras de manguera de polietileno, una a cada lado

de la estructura de la rueda y sujeta a los respectivos radios.

La una espira se hizo con manguera de polietileno de dimetro 3/4 y

la otra espira con manguera de 1 de dimetro interno, tambin de

polietileno.

Fig. 4.9 Fotografas de mangueras de polietileno de y de 1

utilizadas para las espiras

Se empez espiralando la manguera de 1, empezando desde la

espira ms grande o externa de la rueda, la misma que tendra un

dimetro de 1.10 m.

Fig. 4.10 Fotografas de inicio de espiralado de la manguera.

La manguera de polietileno se sujet a la estructura mediante alambre

galvanizado las dos primeras espiras, ya que en la primera


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60

se sujetaba la manguera con alambre a cada uno de los radios y a un

perno de la paleta; mientras que en la segunda espira se sujet

tambin con alambre que envolva la manguera con el radio y la

primera espira ya sujeta.

Fig. 4.11 Fotografa de sujecin de la primera espira con alambre

galvanizado que envuelve la manguera con el radio y a un perno de

las paletas

Para dems espiras se utiliz tiras plsticas de amarre, de tal forma

que se iba sujetando la manguera con el radio y con la espira anterior.

Fig. 4.12 Fotografa de tiras plsticas de amarre


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61

De esta manera se espiral la manguera hasta lograr tener una rueda

de 11 espiras.

Fig. 4.13 Fotografas de colocado de espiral manguera de 1

Posteriormente al otro lado de la estructura se procedi a colocar la

espira con la manguera de , utilizando el mismo procedimiento

tambin hasta obtener una rueda de 11 espiras.

Fig. 4.14 Fotografas de colocado de espiral manguera


82/120

62

En cada espiral, en el extremo de la espira externa de la manguera

enrollada, se coloc mediante juntas para mangueras un pedazo de

60cm de manguera de polietileno de 2; esta ser la boca de entrada.

Al extremo libre de estas bocas de entrada se coloc unos tapones de

rosca, con el fin de que el usuario tape y destape fcilmente conforme

necesite utilizar o no cada espira.

Fig. 4.15 Fotografa de bocas de entrada de agua a espira

En cada espiral, en el extremo de la espira ms interno, se coloc

vlvulas de paso de fluido, ambos de , debiendo poner la reduccin

respectiva para la manguera de 1.

Luego de estas vlvulas de ambas tuberas se unen por medio de

una te de 3/4 a una nica manguera transparente que se encuentra

conectada directamente a la articulacin giratoria acoplada al eje de la

cual se trata con ms detalle ms adelante y que se une con la

manguera de descarga.

Fig. 4.16 Fotografa de vlvulas de las espiras y unin


83/120

63

En la espiral con la manguera de , se realiz un corte a la

manguera en la tercera espira, esto con el objeto de probar el

comportamiento de la espiral con 9 espiras y luego con 11.

Se tuvo que colocar en esta parte una unin con una tercera boca de

entrada exclusiva para 9 espiras y con un tapn para cuando se

requieran 11; adems se coloc una vlvula, con el objeto impedir el

paso del agua hacia las dos espiras externas inhabilitadas cuando se

requiera usar 9 espiras.

Fig. 4.17 Fotografa de boca de entrada para 9 espiras en espiral de

4.1.5 Articulacin hidrulica.

Es un elemento est ubicado en el centro de la rueda, est

centradamente acoplado al extremo en voladizo del eje; su funcin es

unir el paso del flujo que viene desde las mangueras enrolladas con la

manguera de descarga que se encuentra fija, tendida en el terreno y

con direccin hacia el destino final deseado para el agua.

Esta articulacin llega a ser la parte ms complicada en la elaboracin

de una rueda en espiral, y por lo tanto de este banco de pruebas ya

que es un elemento que debe unir una manguera que est rotando

con otra fija impidiendo adems que el agua se fugue.

Para este elemento se analiz detenidamente como fabricar uno que

cumpla con los requisitos anteriormente descritos y de dimensiones


84/120

64

acordes a las mangueras de 1 y , o buscar alguna manera de

adaptar uno o varios elementos hidrulicos, sean estos de plstico, de

cobre o partes de bombas, etc.

Primeramente se prob adaptando un universal de cobre soldado a

cada lado con acoples y dotado de un orn para evitar o por lo menos

disminuir fugas; pero se detect que iba a fugar gran cantidad de

agua y que iba a haber un grande y prematuro desgaste de los

elementos al girar, lo que restara notablemente el tiempo de vida til

de este dispositivo.Se descart entonces el mencionado dispositivo.

Posteriormente ante la dificultad de elaborar esta articulacin se

busc algn elemento industrial hidrulico que pueda servir o alguno

que se lo pueda adaptar.

Luego de mucha investigacin y bsqueda se encontr un acople

industrial hidrulico de , de los que son utilizados en volquetas en

el sistema hidrulico que levanta el cajn.

Este dispositivo dispone de una entrada para manguera de y con

una salida de rosca macho tambin de , con la particularidad que

gira el un extremo con la entrada mientras el otro permanece esttico,

siendo diseado exclusivamente para este particular con los

empaques y dispositivos precisos para dicho fin garantizando

hermetismo del fluido.

Al cumplir con dicha condicin y ser de , este dispositivo fue

exactamente lo que se necesitaba para el banco de pruebas; ya que

acopla una manguera que rota con otra que se mantiene esttica sin

fugas de agua.

Lo nico que se tuvo que hacer es cortar con una sierra la cascara

alrededor del acople para manguera de entrada, ya que era de los

que se juntan apretando con muelas mecnicas, siendo esto diseado


85/120

65

para altas presiones que bordean los 180 psi, por lo que no era

necesario ya que en nuestro banco no se superar los 20 o 30 psi

mximo; de modo que solo se junt usando abrazaderas.

Se tuvo adems que acoplar al eje elaborando un elemento de

sujecin metlico desmontable, esto debido a que no poda ser

soldado este elemento ya que posee empaques que se fundiran. Lo

que va acoplado al eje fue el lado de la entrada de manguera ya que

todo esto se encuentra rotando, mientras que el otro lado, el que no

debe girar toc acoplarle a la estructura de soporte del dispositivo.

Fig. 4.18 Fotografas de acople articulacin hidrulico y elementos de

sujecin montado en el banco de pruebas

4.1.6 Mangueras de descarga.

Se colocaron dos dimetros de mangueras para la descarga, de

manera que el usuario pueda combinarlas con las de la espira y tener

as varias opciones de probar.


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66

Se us 32 m. de manguera de polietileno negro de para la una

descarga; mientras que para la otra se us 16 m. de manguera mixta

(transparente y de polietileno negro) de 1 con opcin a incrementar

su longitud con manguera de , de la que se dispona con 103 m.

Se acopl mediante adaptadores a la rosca de salida de la

articulacin hidrulica; luego, mediante una t se dividi para conectar

las dos diferentes mangueras de descarga.

A la entrada de cada manguera de descarga se coloc una vlvula

con el objeto de que el usuario pueda permitir o impedir el paso delagua a cada manguera seleccionando fcilmente la manguera de

descarga que necesite utilizar.

4.1.7 Instrumentacin del banco.

Para la utilizacin del banco de pruebas se utilizar la siguiente

instrumentacin.

Manmetro de presin de 100 psi, Conexin de rosca macho 1/2

pulgada.

Cronmetro de apreciacin 1/100 seg.

4.1.8 Estructura de soporte del dispositivo.

Se estableci que esta estructura debera ser totalmente desarmable

debido a que ser de gran tamao de acuerdo a las dimensiones y

peso de la rueda construida y tomando en cuenta adems que debe

soportar la fuerza de la corriente de un ro caudaloso sin virarse y

adems soportando carga en movimiento. Por lo que se dedujo que el

mejor material para construir esta estructura sera de acero

estructural.


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67

Adems se deba tomar en cuenta que al ubicar el dispositivo en un

ro, el piso del mismo y de sus alrededores posee irregularidades en

cuanto a inclinacin, profundidad, materiales, etc. Por lo que se

determin que las patas de la base de la estructura deberan ser

considerablemente graduables en altura.

Se debi considerar adems que en un futuro a este dispositivo

puede ser mejorado, agrandado e incluso se da la posibilidad abierta

para colocar una segunda rueda al dispositivo.

Tomando en cuenta todas las consideraciones anteriormente dichas

se procedi a construir un dispositivo utilizando tubo de acero

estructural cuadrado de 2.

La estructura bsicamente consiste en dos A grandes cubicadas una

frente a la otra de manera paralela y separadas por un tubo de 2,58m

conectado en la parte superior, a manera de estructura para

columpios. Ambas A forman un tringulo de 2,96 m de base y 2,56m

de altura.

Las patas de estas A son extensibles en 40 cm cada una con opcin

de graduacin cada 10 cm, ajustable con un perno colocado a manera

de pasador y asegurado por una tuerca.

Existen dos travesaos horizontales en estas A, el uno de 1m de

longitud y colocado a 86 cm medidos desde el vrtice superior del

tringulo y el segundo de 1,64m de longitud, colocado a 1.42 m

medidos desde el vrtice superior del triangulo.

Sobre una de las A y asentada una base sobre el travesao de 1.64

m. est montada la rueda de manera que sta queda parada y de

manera paralela a las A. Ser montada mediante dicha base

horizontal sobre la cual descansarn las dos chumaceras que

soportan la rueda.


88/120

68

Cabe anotar que se debi poner las dos chumaceras al un solo lado

del eje y se dej tanto la rueda como el otro extremo del eje colgado

en voladizo. Esto debido a que si asentramos sobre algn elemento

fijo el otro extremo del eje, al girar la rueda siempre se enrollara la

manguera contra ese elemento fijo y no habra forma de que funcione.

Por lo tanto dicho lado del eje debe quedar libre y girar libremente

junto con la rueda.

Y como se trat en la articulacin hidrulica, en dicho extremo en

voladizo del eje fue colocado nicamente dicho acople industrial cuyo

lado giratorio de dicho acople est sujeta al eje que gira todo eltiempo y el otro lado del acople, el lado esttico, est sujeto con la

estructura de soporte, esto se lo hizo mediante la colocacin pletinas.

Toda la estructura es totalmente desarmable.

Fig. 4.19 Fotografas de estructura de soporte sujetando la rueda de

espiral.


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69

CAPTULO V

PRUEBAS DE DISPOSITIVO Y ANALISIS DE DATOS

5.1 Pruebas del dispositivo.

El banco de pruebas construido fue sometido a varias pruebas, cada una de

ellas trabajando con diferentes combinaciones de magnitudes y condiciones de

trabajo; todo esto con el objetivo de tomar datos necesarios para posteriormente

analizarlos y sacar conclusiones validas.

En cada una de estas pruebas, deba ser tomado un valor de una misma

magnitud, para que ste sea comparable con el obtenido en las dems pruebas.

Esta magnitud fue el caudal de descarga.

Para medir el caudal de descarga de la bomba, en todas las pruebas se utiliz

un mismo sistema de toma de valores. Este consisti en tomar con un

cronmetro el tiempo en que tarda en llenarse un recipiente de volumenconocido, que en este caso se utiliz una caneca de 20 litros de volumen.

Fig. 5.1 Fotografa de Caneca de 20 litros utilizada para medir el

caudal


90/120

70

De esta manera, obtenemos el caudal utilizando la frmula:

(5.1)

Donde:

Q: Caudal

V: Volumen del recipiente a llenarse

T: Tiempo que tarda en llenarse el recipiente.

Por lo tanto, el caudal ser primeramente obtenido en unidades de l/min, valor

que posteriormente puede ser transformado a

, o a

, etc.

Las pruebas con el banco de pruebas construido se realizaron utilizando dos

fuentes de agua.

Un ro.

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