Proyecto Bomba de Ariete

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO 1 Integrantes del equipo: Javier Rojas Estrada. José Abraham Martínez Herrera.  Aarón Cesar Rodríguez Segobia. Danny Norberto Juárez Rangel. Hugo Ledesma Villaseñor Nombre del proyecto: Bomba de Golpe de Ariete Hidráulica. Carrera: Ingeniería en Mantenimiento Industrial. Grupo: IMI- 19 Fecha de entrega: 7 de octubre del 2013 Universidad Tecnológica de Querétaro.

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

1

Integrantes del equipo:

Javier Rojas Estrada.

José Abraham Martínez Herrera. Aarón Cesar Rodríguez Segobia.

Danny Norberto Juárez Rangel.

Hugo Ledesma Villaseñor 

Nombre del proyecto:

Bomba de Golpe de Ariete Hidráulica.

Carrera:

Ingeniería en Mantenimiento Industrial.

Grupo:

IMI- 19

Fecha de entrega:7 de octubre del 2013

Universidad Tecnológica de Querétaro.

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B) INTRODUCCIÓN.

La bomba de ariete hidráulico es una máquina de construcción y

funcionamiento muy sencillo y de bajo costo, este aprovecha la elevada presióngenerada por el fenómeno conocido como “golpe de ariete hidráulico” paraimpulsar un fluido a una altura superior de su altura inicial.

FUNCIONAMIENTO

Para el funcionamiento de la bomba de ariete hidráulico se requiere contar conuna caída de fluido inicial no menor de un metro que se denomina “altura decarga” H y un “caudal de alimentación” Q.

Como resultado se tendrá un “caudal de descarga” q una “altura de descarga”h 

Es posible impulsar un fluido a alturas h que sean muy superiores a 4 veces laalturaH, sin embargo la cantidad de fluido de llegada q disminuirá considerablementeel sistema menos productivo.

De acuerdo al diseño se pueden construir bombas de ariete hidráulico dediferentes tamaños como 1”, 2”, 4”, 8”, de esto dependerá el caudal de llegaday por lo tanto la altura final de llegada. (Más adelante se muestra el proceso deconstrucción para una bomba de ariete de 1” en base a accesorios de PVC).

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PROCESO DE CONSTRUCCIÓN “BOMBA DE ARIETE PVC 1” INSUMOS. 

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BOMBA DE ARIETE PVC 1” ENSAMBLAJE. 

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C) JUSTIFICACIÓN Y PROPÓSITO.

Por el bajo costo de construcción, costo de operación cero y cero

contaminación (no se utiliza ningún tipo de energía ni combustible fuera de lafuerza del fluido) se considera que este equipo puede ser utilizado en casi todaactividad donde el caudal inicial de fluido no sea un problema o pueda ser reciclado.

La presente tecnología es una alternativa de solución con muchísimas ventajascon respecto al uso de sistemas y equipos de bombeo más conocidos(motobombas, electro bombas), por tanto nos corresponde a nosotros plantear esta alternativa muy antigua por cierto en usos y necesidades actuales comoriego, agua potable y otros.

D) PLAN DE ACTIVIDADES.

E) MARCO TEÓRICO.

El ariete hidráulico fue patentado en 1796, por Joseph Montgolfier (1749-1810), consiste en una máquina que aprovecha únicamente la energía de unpequeño salto de agua para elevar parte de su caudal a una altura superior. Apartir de su invención, el ariete hidráulico tuvo una amplia difusión por todo elmundo. Baste decir, a modo de ejemplo, que estuvo presente en las famosasfuentes del Taj Mahal en la India, o en el Ameer de Afganistán. Con el tiempocayó en desuso, sobre todo debido al avance arrollador de la bomba centrífuga.

En la actualidad asistimos a un renacer del interés acerca de este aparato,debido a que es tecnológicamente accesible, eficiente, ecológico y muydidáctico.

Funcionamiento.

El agua se acelera a lolargo del tubo dealimentación hastaalcanzar una velocidadsuficiente como paraque se cierre la válvula(A), Figura 1. Entoncesse crea una fuertepresión, al detenerse elagua bruscamente. Estegolpe de presión abre laválvula (B) y hace pasar un pequeño chorro deagua al depósito (C),

hasta que se equilibranlas presiones.

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En ese momento, la gravedad abre la válvula (A) y se cierra la (B), repitiéndosede nuevo el ciclo. El agua, a cada golpe de aire hace fluir el agua, concontinuidad, por la manguera de elevación. El ritmo de golpes por segundo

suele ser de uno o dos.

Los fontaneros conocen muy bien el golpe de ariete; cuando se cierrabruscamente un circuito abierto de agua, toda la tubería se estremece y losmanómetros enloquecen. A menudo se producen roturas por esta causa. Elariete hidráulico es una máquina que provoca continuos cierres bruscos de uncircuito con agua en aceleración y que aprovecha las sobrepresiones paramandar parte del caudal a una gran altura.

Rendimiento (R)

El rendimiento del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua que sepuede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, y varía enfunción del cociente H/h. Al aumentar el valor resultante, el rendimientodisminuye. En la tabla siguiente puede verse cómo varía el rendimientoenergético.

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La altura de elevación (H).

Como puede deducirse de la tabla anterior, a partir de 12 veces la altura (h), elrendimiento de los arietes disminuye en gran medida.

Este detalle no nos ha de desalentar. Aunque sólo subamos a gran altura un1% del agua que pasa por nuestro ariete, este funciona las 8.760 horas delaño.

Caudal elevado (q)

Depende del rendimiento (R), el caudal de alimentación (Q), el desnivel detrabajo (h) y la altura de elevación (H). La ecuación por la que se relacionan esla siguiente:

q = R · Q · h / H

Por ejemplo: Q (Caudal de alimentación) = 100 litros/minutoh (desnivel de trabajo) = 3 metrosH (Altura de elevación) = 24 metrosLa relación H/h = 8, luego el rendimiento del ariete en estas condicionesequivale al 57% (0’57). 

El caudal elevado q = 0,57 · 100 · 3 / 24 = 7,125 litros/minuto = 10260 l/día.

Caudal de alimentación (Q).

El ángulo de inclinación del tubo de alimentación (α) debe estar entre los 10º ylos 45º con la horizontal. El caudal de alimentación del ariete dependerá deldiámetro de dicho tubo de acometida. En la siguiente tabla se pueden ver 

relacionados estos parámetros, para tubería de hierro galvanizado, que es lamás recomendable para alimentar arietes hidráulicos.

Hay que tener en cuenta que el agua que se acelera en el tubo dealimentación, es la que provoca el “golpe de ariete”, por lo que este ha de tener una longitud, inclinación y diámetro adecuados, sin curvas ni estrechamientos

que provoquen pérdidas de carga por rozamiento.

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Períodos en que se divide el ciclo de trabajo del Ariete Hidráulico.

El aprovechamiento del golpe de ariete se divide en 3 periodos bien definidosdurante un ciclo de operación. En las figuras que se encuentran a continuación

se muestra de manera más comprensiva.

Como partida se inunda el sistema aguas abajo, la válvula de impulsión secierra debido a la presión inicial Ha, el agua hace que se abra la válvula check,hasta el nivel Ha debido al principio de vasos comunicantes.

Seguido de este primer paso, se debe accionar la válvula de impulsiónmanualmente, así se extrae el aire de las tuberías, hasta que el arietecomience a funcionar automáticamente.

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T Ta Td Tr 

Ecuación 1- 2En donde:Ta = Tiempo de duración del periodo de aceleración en s.Td = Tiempo de duración del periodo de bombeo en s.Tr = Tiempo de duración del periodo de retroceso en s.T = Tiempo de duración del ciclo en s.vc = Velocidad del agua en la tubería de alimentación en el momento del cierrede la válvula de impulsión en m/s.vr = Velocidad del agua durante el período de flujo invertido en m/s.v(t) = Velocidad del agua en la tubería de alimentación en los diferentesinstantes de tiempo en m/s.

La figura 1-7 muestra los períodos en que se divide el ciclo, aquí se tienen dosvariables muy importantes que son el caudal de bombeo qb, y el caudalderramado por la válvula de impulso Qp, los cuales por la física de los fluidosestán en función de la velocidad y el tiempo por lo que las ecuaciones quegobiernan estos hechos Físicos son 2:

Q Q p qb Ecuación 1- 3V (t) dt4

Π D T

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Qb 1 Ta TdTa2CHECK

Ecuación 1- 4 

En donde:DCHECK = diámetro de entrada a la válvula check en m.T = periodo en s.v(t) = velocidad del agua en la tubería de alimentación m/s. 

Período 1: AceleraciónSe podría decir que este fenómeno inicia desde que la energía cinética delagua es nula, por lo que la velocidad es igualmente cero, es decir el aguatodavía se encuentra en el tanque de captación, seguido de esto el aguaempieza a acelerar debido a la gravedad, las válvulas se encuentran en suposición baja hasta que el agua llega con una presión que está en funcióndirecta con la altura de alimentación Ha, haciendo que se cierren, terminando elperíodo 1 y comienza el período 2.

Periodo 2: Bombeo

El instante en que las válvulas de impulso se cierran, inicia el período 2, estefinaliza el momento que se produce una desaceleración del flujo en la cámarade aire como podemos observarlo en la figura 1-10. En este instante en elsector de la válvula de impulso se produce una presión muy alta, esta esamortiguada en la cámara de aire.

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Periodo 3: Retroceso

El período 3 se observa en la figura 1-11, el cual consta de 3 partes: la caídade presión, la reapertura de la válvula de impulso, y el tiempo durante el cual secierra la válvula check. Aquí la velocidad vuelve hacer cero, teniendo un nuevo

ciclo en progreso.

Se observa que el colchón de aire que existe en la cámara de aire ejerce unapresión sobre la válvula check haciendo que se cierre haciendo que el aguafluya por la tubería de descarga y no vuelva a la tubería de impulsión.

 Al retroceder el agua por la tubería de alimentación se produce una sección debaja presión en el cuerpo del ariete, haciendo de esta manera que se genereuna renovación de aire en la cámara neumática por la válvula de aire, al mismotiempo se abre nuevamente la válvula de impulsión, empezando un nuevo ciclode trabajo.

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F) MEDICIONES DEL PROYECTO.

Velocidades en el tanque y tubería de descarga

El tanque elevado está a una altura de 3 metros por arriba del eje de la tuberíade alimentación del ariete, a continuación se observa el modelado del tanque yla tubería de alimentación del ariete, así como también las líneas de flujo delfluido cuando está descargando agua hacia la máquina.

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En la siguiente figura 1-22 y 1-23 podemos observar una ampliación del tanquey las líneas de flujo como podemos ver en la leyenda, el agua en el nivelreferencial la velocidad del agua es cero, cuando el agua baja por la tubería de

alimentación, el agua alcanza una velocidad máxima de 2.416 m/s, con unaaltura de 3 metros.

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Como podemos ver de una mejor manera en la figura 1-24 los vectores develocidad se asimilan mucho a los valores obtenidos en los cálculos.

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Presiones en el Ariete

En el análisis de las presiones primero obtuvimos los resultados de laspresiones cuando el ariete se inunda completamente por el fluido, esto es justo

el instante antes de que se produzca el fenómeno del golpe de ariete. En estemomento tenemos una presión en la cámara de aire de aproximadamente 0.42MPa, antes de que se produzca el golpe de ariete, y las válvulas estáncerradas (figura 1-25).

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Como podemos observar en la figura 1-29 existen diferentes velocidadescuando el fluido recorre por el Ariete hidráulico. Las velocidades de entrada secaracterizan por ser las más altas y las más bajas se encuentran en la cámarade aire.

En la figura 1-30 se ve un acercamiento del sector de las válvulas de impulsiónen donde vemos que se produce un vacío, antes de que se derrame el fluidopor agujeros de las válvulas, teniendo un rango de velocidades de entre 0,74m/s a 1,74 m/s.

En la figura 1-31 podemos observar que en la salida del ariete hacia la tubería

de entrega tenemos una velocidad aproximada de 0.99 m/s.

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Presión Dinámica

En la figura 1-32 se observa que la presión que está bajo las válvulas deimpulso es de 1000 Pa que es la que necesita para levantar las válvulas de

impulso y está acorde con lo calculado en la teoría.

Tipo de régimen del flujo.

En este punto vamos a definir el tipo de régimen que se desarrolla en la tubería dealimentación.

Re = v x Dv

Re= 2.697 x 0.05081.14 E - 6

Re= 120182

En donde:v = Velocidad del Fluido en m/s.D = Diámetro interno de la tubería de alimentación en m.= Viscosidad cinemática del agua en m2/s.Con este valor de Reynolds, definimos que el flujo es turbulento. 

Con este valor de Reynolds, definimos que el flujo es turbulento.