diseÑo y montaje de un sistema de bombeo mediante ariete...

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

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

NOTA DE ACEPTACIÓN

________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________

Firma del director

________________________ Firma del jurado

Bogotá, 2017

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.

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.

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

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

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

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

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

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>

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>

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

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

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

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.

- 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.

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.

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.

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:

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

√(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

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.

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.

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.

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.

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.

- 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

principalmente de las características geométricas y mecánicas de la conducción, su

cálculo está dado por la siguiente ecuación.

𝑎 =9900

√48.3+𝐾𝐷

(Ec. 4).

- K= Coeficiente que depende del módulo de elasticidad del material.

- 𝑘 =1010

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:

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).

<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.

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

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.

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.

- 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:

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

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:

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

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:

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.

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.

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.

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

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

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

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

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:

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

4 ∗ 0,00137𝑚3/𝑠

ᴨ ∗ (0,07793𝑚)2= 0,287

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

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

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

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

∆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.

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.

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.

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:

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 =

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

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.

Ref. No. Forma Dimensiones

Gauss promedio

67 Neo. Cilíndrico 35 5 x 15 4750

69 Neo. Cilíndrico 35 7 x10 2840

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

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.

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.

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.

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

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 =

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.

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

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

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:

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.

Figura. 32. Plano de ensamble en corte del Ariete Hidráulico. Fuente, elaboración propia.

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

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.

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.

Figura. 38. Ensamble general del cuerpo del ariete. Fuente, elaboración propia.

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.

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.

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.

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.

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:

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

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

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.

11. Bibliografía

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S.A, Madrid, España, Segunda Edición, 1986, Página 312.

9. NEBRA ORTEGA, Javier, Construcción, Caracterización hidráulica y estudio de

aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agricola, Zaragoza –

España, 2013, Trabajo de grado (Ingenieria Mecánica), Universidad de Zaragoza,

Escuela Politécnica Superior de Huesca.

10. RESTREPO, Julian, Evaluación de un sistema de generación de energía usando el

principio del golpe de ariete, Bogotá DC, 2013, Universidad Distrital Francisco José

de Caldas, Facultad Tecnológica, Ingeniería Mecánica.

11. ROBERT L, Mott, Diseño de elementos de máquinas, Editorial Pearson, 2006,

Cuarta edición, Pagina 13

12. SHIGLEY Joseph Edward, Diseño en Ingeniería Mecánica, Capitulo 10 Resortes

Mecánicos, Página 499, Edición 8va.

ANEXOS

Figura 47. Diagrama de Moody

RUGOSIDAD ABSOLUTA DE MATERIALES

Material ε (mm) Material ε (mm)

Plástico (PE, PVC) 0,0015 Fundición asfaltada 0,06-

Poliéster reforzado con fibra de

vidrio 0,01 Fundición

Tubos estirados de acero 0,0024 Acero comercial y soldado 0,03-

Tubos de latón o cobre 0,0015 Hierro forjado 0,03-

Fundición revestida de cemento 0,0024 Hierro galvanizado 0,06-

Fundición con revestimiento

bituminoso 0,0024 Madera

Fundición centrifugada 0,003 Hormigón 0,3-3,0

Figura 48. Rugosidad Absoluta de Materiales

Figura 49. Coeficientes de pérdidas para varios accesorios

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