ariete hidraúlico
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Estudiantes:
DANIEL MALDONADO GARCÍA
JUAN ALBERTO CALERO
FABIAN OTALORA
Directores:
Ing. Nelson Arzola
Ing. Edwin Cárdenas
Bogotá D.C., junio de 2009
Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOSARIETE HIDRÁULICO
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
Este proyecto de ingeniería se basaen la necesidad de elevar aguadesde una fuente (rio o tanque dealmacenamiento) a zonas rurales sinla utilización de energía eléctrica; lasbombas hidráulicas de ariete, quefuncionan aprovechando la fuerzaproducida por una caída de aguapara elevar parte de la misma a unaaltura mayor, es la alternativa elegidadebido a su simplicidad y bajo costo.
El ariete hidráulico fue patentado en1769 por Joseph Montgolfier, en la erade los grandes inventos como lasmaquinas a vapor y el motor decombustión interna.
Durante los siglos IXX y XX se utilizaronampliamente, y se han instaladomundialmente para proyectos deirrigación, aldeas, huertos, residencias ypalacios. Las bombas de arieteinstaladas en la famosa fuente frente alPalacio de TAJ MAHAL, en India,suministra 2,727 m^3/día. Loscompradores contemporáneos de labomba de ariete, por lo general son deagencias benéficas, como la UNICEF ypersonas trabajadoras en zonas ruralespara reducir costos de producción.
El agua se acelera a lo largo del tubo de alimentación hasta alcanzar una
velocidad suficiente como para que se cierre la válvula de desperdicio. Entonces
se crea una fuerte presión, al detenerse el agua bruscamente. Este golpe de
presión abre la válvula de alimentación y hace pasar un pequeño chorro de agua
a la cámara de aire, hasta que se equilibran las presiones. En ese momento, la
gravedad abre la válvula de desperdicio y se cierra la de alimentación,
repitiéndose de nuevo el ciclo. El agua, a cada golpe de aire hace fluir el agua,
con continuidad, por la manguera de elevación. El ritmo de golpes por segundo
suele ser de uno o dos.
Funcionamiento
Valor esperado del proyecto:
Marketing: $50.000
Diseño: $100.000
Manufactura: $200.000
Validación prototipo: $50.000
Total: $405.000
Presupuesto destinado:
Materiales y manufactura: $200.000
Implementos de experimentación: $20.000
Tiempo de desarrollo:
15 semanas
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMALos sistemas hidráulicos de bombeo deagua son equipos que pueden abastecerde agua a pequeños poblados para elconsumo familiar o riego. La fuerza quemueve el equipo de bombeo puede serun arroyo, un canal u otra forma de aguacorriente que pueda suministrar laenergía suficiente para bombear agua aalturas.
Pensando de esta manera, la principalnecesidad es diseñar un sistema idealpara estas zonas rurales cumpliendoeficientemente dicho transporte de agua,teniendo en cuenta requerimientos de lazona como por ejemplo evitar el uso deenergía eléctrica o combustibles. Por elloun sistema que utilice los principios delgolpe de ariete.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE•Eficiencia.
•Facilidad de manejo.
•Bajo Desgaste de los componentes.
•Garantizar presión constante en la entrega de agua.
•Sin uso de energía eléctrica ni combustible.
•Soportar cambios climáticos (oxidación y heladas).
•Repuestos normalizados (genéricos).
•Bajo costo de instalación.
•Bajo costo de operación.
•Competitividad en el mercado frente a productos que desempeñen la misma
función (motobombas)
•Fácil mantenimiento.
•Operación permanente.
•Estética.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)
EmpresaDiametro tuberia
de entrada
Diametro
tuberia de
salida
Altura
mínima de
entrada (m)
Altura
máxima de
entrada (m)
Altura
máxima de
salida (m)
Caudal de
entrada
(m^3/min)
Caudal de
salida
(m^3/min)
Meribah (PVC) 1" 1/2" 1 3 21 16 3
Meribah (Galvanizado) 1" 1/2" 1 2,5 20 16 3,5
Lidgerwood Industrial 1" 1/2" 1 1 6 15 1,6
Blake 1" 1/2" 1 1 6 15,1 1,2
Rife 2" 2" 1 7,5 75 90 6
ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)• Relación largo-ancho del tubo de salida
• Golpes por minuto
• Coeficiente de rozamiento de la tubería entrada
• Longitud tubería de entrada
• Presión en la cámara de aire y cuerpo del ariete.
• Caudal de salida
• Volumen cámara de aire
• Diámetro de la tubería de entrada
• Tiempo de ensamble y desensamble
• Caudal de entrada
• Vida útil de los elementos
• Costo de manufactura o piezas
• Costo de instalación
• Desnivel de trabajo
• Altura de elevación
DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
Valoración de las alternativas planteadas
Alternativa 1
Se presenta una válvula de
mariposa, lo que permitiría
regular el caudal sin afectar la
vida útil de esta, pero no existe
esta para conectar a una tubería
de 1”, la válvula de alimentación
y la válvula de desperdicio se
deben construir, lo que significa
un gasto mayor en comparación
a comprar las partes
estandarizadas.
Presenta 3 válvulas de
desperdicio en serie para
aumentar la presión del
golpe de ariete, además de
tubería galvanizada, estos
factores incrementarían el
costo del producto, además
si se usa este modelo es
para alcanzar mayor altura
de salida debido a que se
presentan 3 golpes en un
solo ciclo, su principal
dificultad es el costo de los
elementos.
Alternativa 2
Alternativa 3
En esta alternativa ya se
tienen elementos
normalizados en todo el
ariete y de bajo costo
relativos a usar acero
galvanizado o válvulas que
se deban manufacturar, lo
que la hace una muy buena
opción, la dificultad esta que
la válvula de bola no regula
caudal, ya que para
aumentar su vida útil se debe
tener totalmente abierta o
totalmente cerrada.
Evaluación de conceptos elementos arieteVálvula de entrada Conceptos
A B C
Criterios de selección de bolade
mariposa(Ref) de control
Regular caudal 0 0 +
Costo + 0 -
soportar la intemperie + 0 0
Presion soportada 0 0 +
fácil manejo + 0 0
vida util + 0 +
mantenimiento + 0 -
que no produzca extrangulamiento - 0 +
sumar + 5 0 4
sumar 0 2 8 2
sumar - 1 0 2
Puntuacion neta 4 0 2
Continua? si revisar si
Válvula de alimentación Conceptos
A B C
retención retención
Criterios de selección chequede bola
(Ref)restringida
York
soportar golpe de ariete - 0 +
Presion soportada - 0 +
evitar exesiva resistencia al flujo + 0 0
resistencia a la fatíga 0 0 -
vida util 0 0 0
mantenimiento + 0 +
que no produzca extrangulamiento - 0 +
sumar + 2 0 4
sumar 0 2 7 2
sumar - 3 0 1
Puntuacion neta -1 0 3
Continua? no revisar si
Tubería E/S Conceptos
A B C
PVC PVC Acero
Criterios de selección alta presión Sanitaria (Ref) Galvanizado
menores perdidas + 0 -
soportar heladas 0 0 0
costo + 0 -
peso + 0 0
soporta presión - 0 +
sumar + 3 0 1
sumar 0 1 6 2
sumar - 1 0 2
Puntuacion neta 2 0 -1
Continua? si no no
Válvula de desperdicio Conceptos
A B C
Válvula Válvula válvula de
Criterios de selección Bamfordde pie
modificada charnela
resistencia alta fatiga + + 0
Regulación - + 0
soporte presion + - 0
mantenimiento 0 + 0
costo - + 0
sumar + 2 4 0
sumar 0 1 0 5
sumar - 2 1 0
Puntuacion neta 0 3 0
Continua? revisar Si no
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
Se elige esta alternativadebido a que presentacomponentes estándar yademás económicos, comopor ejemplo el cuerpo ycámara del ariete en PVC quetiene costo menor a la tuberíagalvanizada. Otro elementofundamental es la válvula dedesperdicio la cual esmodificar el funcionamiento deuna válvula de pie común,además las uniones son defácil ensamble para si senecesita realizar limpieza.
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO•Tubería de entrada: tubería conduit debido a que la tubería de entrada no va a soportar altas presiones, además de su bajo costo, se encuentra de 1” estandarizado.
• Cuerpo del ariete: tubería RDE 13.5 debido a la presión de trabajo que soporta (315 Psi que es mayor a la producida por el golpe de ariete); se encuentra de 1” estandarizado, además de todos sus accesorios para unirlo
• Válvula de apertura: válvula de bola en PVC, es de bajo costo y su acople es compatible a la tubería usada
• Válvula de alimentación: válvula restringida el flujo en una dirección con retención.
• Válvula de desperdicio: válvula de pie modificada con el fin de regular los golpes por minuto.
•Tubería de salida: se empleara una manguera de 1/2’’ ya que no requiere soportar altas presiones.
Modelo matemático para determinar la presión máxima en el
cuerpo del ariete
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
Diseño cuerpo ariete
Detalle de válvulas
Construcción
Diseño Ariete
El usuario debe verificar que el tanque de almacenamiento este libre decualquier tipo de residuos sólidos, con el fin de evitar introducirlos a latubería del ariete.
Se debe instalar la manguera de salida hasta el lugar que se deseatransportar el agua, asegurándose que no se presenten dobleces en lamanguera, por que en este punto se podría presentar represamiento deagua.
Con el fin de conseguir la presión necesaria para empezar elfuncionamiento del dispositivo, se recomienda, tener el tanque con unvolumen mínimo y con la válvula de bola cerrada. Una vez verificada lascondiciones anteriores, se acciona la válvula permitiendo el flujo hacia elariete.
El golpeteo se genera inmediatamente y el ariete empieza a bombear elagua. El dispositivo esta previsto para un continuo funcionamiento.
Si se desea regular el ariete existe un dispositivo de control en la válvulade desperdicio, el cual aumenta o disminuye la apertura de la misma,afectando directamente el caudal de salida.
Funcionamiento
Seguridad
El usuario debe evitar fuerzas externas a la cámara de aire, ya que su correcto funcionamiento depende de su posición vertical. Por ningún motivo, la válvula de desperdicio debe ser obstruida, de lo contrario el dispositivo dejara de funcionar. Si se requiere cambiar alguna pieza por mantenimiento, hacerlo con el ariete cerrado, con las válvulas cerradas.
APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
El diseño cumplió con las expectativas planteadas. Sin embargo, todavía se pueden
hacer mejoras al dispositivo, que no se contemplaron en este desarrollo.
Si el prototipo fuera a implementarse, se podrían solucionar problemas de
abastecimiento en zonas rurales. Es una gran alternativa de bombeo de agua, para el sector
agrario a pequeña escala.
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS DE MATERIALESElemento Valor (pesos)
Válvula de pie 30000
Válvula de retención York 13000
Válvula de bola 4000
Tubería RDE 15000
Accesorios RDE 15000
Adaptadores Galvanizados 7000
Manómetros 21000
Manguera (11m) 9000
Soldadura plástica 10000
Total 124000
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
•Para el desarrollo de un producto es necesario seguiruna metodología coherente y organizada, de esta formase llegara a mejores resultados.
•En la etapa de experimentación, se evidencian algunosaspectos que pudieron llegar a no ser tenidos en cuentaanteriormente, y que modifican lo pensado a futuro en elprocedimiento de realización del prototipo a desarrollar.
•A la hora de desarrollar un producto se hace necesario elconsultar el estado del arte, el cual nos puede dar ideasde funcionamiento y posibles falencias a suplir en elproducto en cuestión.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS• Válvulas selección, uso y mantenimiento; Richard W. Greene; Editorial Mc GrawHill.
• Valve selection Handbook; R. W. Zappe; Editorial Gulf Professional Publishing, 4ta edición.
• Manual del ingeniero Químico; Perry, Robert H; Editorial Mc Graw Hill, tomo 2.
• Diseño y desarrollo de nuevos productos enfoque multidisciplinario; Karl T. Ulrich; Mc Graw Hill; tercera edición.
•Tuberías Materiales, cálculos hidráulicos, cálculos mecánicos. Jose M. Mayol. Mallorqui; Editores técnicos asociados s. a. 1981 Mayol Mallorqui, José María. Tuberías.
• Válvulas, selección y mantenimiento. Richard. W Greene
• Streeter. Mecánica de Fluidos; Capitulo 5 Coeficientes de arrastre.
• Catalogo Válvula Retención York.
• Catalogo Válvula Bola.
• Catalogo PAVCO Tuberías Sanitarias y RDE.
MUCHAS GRACIAS
Daniel Maldonado García
Fabian Otálora
Juan Calero