“AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL.

“EFECTO ARIETE”

ESTADISTICA GENERAL

PROFESOR: ING. JORGE CÉSPEDES LONGOBARDI

CASTRO PORTOCARRERO JOSUE ALEXANDER

RIVERA RONDOY NATALY SILVIA

ROSILLO LUDEÑA MARY CHELSY

INTRODUCCIÓN

El ariete hidráulico fue patentado en 1796, por Joseph Montgolfier (1749- 1810).

Dentro de la problemática de la conducción de líquidos tiene enorme importancia el

suministro de agua potable a cualquier comunidad por pequeña que ésta sea, y dentro

del diseño y cálculo de la conducción de agua, un fenómeno que debe considerarse es el

golpe de ariete.

La bomba de ariete es un sistema que funciona bajo el principio del fenómeno

denominado golpe de ariete, el cual se obtiene una elevación de presión para impulsar

agua a un nivel más alto. Para el funcionamiento de esta bomba hidráulica es necesario

de la pérdida de una parte del fluido de trabajo para la elevación del agua, debido a esto

es recomendable, que estas bombas se monten sobre los arroyos para que el agua que no

se utiliza(que se desperdicia) recaiga sobre el arroyo y así no exista un desperdicio del

fluido. En cuanto a su funcionamiento se sabe que es posible su accionamiento cuando

el estanque dónde se encuentra el agua que entrará a la bomba se encuentra desde una

altura de 50cm a 5m y es posible elevar el agua hasta una altura de 35m.

OBJETIVOS

General:

• Presentar un informe con toda la información necesaria sobre el fenómeno

hidráulico de golpe de ariete.

Específicos:

1. Describir y definir teóricamente el golpe de ariete y dar a conocer las causas e

implicaciones de este fenómeno transitorio.

2. Observar y comprender el fenómeno de golpe de ariete provocado por el cierre de

una válvula en un sistema por gravedad.

3. Conocer el funcionamiento de un ariete hidráulico como una bomba para elevar

parte de su caudal a una altura mayor que la de su nivel.

CONTENIDO

1. BOMBA DE ARIETE O ARIETE HIDRÁULICO.............................................................................1

2. TEORÍA DEL GOLPE DE ARIETE....................................................................................................4

3. PARTES DE UNA INSTALACIÓN DE BOMBA DE ARIETE...............................................................5

3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN (1)................................................................................................5

3.2.TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN (2)...............................................................................................6

3.3. TUBERÍA DE SALIDA O DE ELEVACIÓN (3)................................................................................6

3.4. BOMBA DE ARIETE (4).............................................................................................................6

3.4.1 VÁLVULA DE NR (NO RETORNO) O VÁLVULA CHECK DE PIE..............................................7

3.4.2. VÁLVULA DE CHOQUE O VÁLVULA CHECK DE PASO.........................................................8

3.4.3. CAJA DE VÁLVULAS...........................................................................................................8

3.4.4. CÁMARA DE AIRE O PULMÓN...........................................................................................9

4. PROCEDIMIENTO......................................................................................................................10

ÍNDICE DE IMÁGENES

Imagen N° 1: Funcionamiento De La Bomba De Ariete

Imagen N°1 : Funcionamiento De La Bomba De Ariete ………………………….2

Imagen N°2: Proceso Del Golpe De Ariete En Una

Tubería……………………….3

Imagen N°3: Esquema de una instalación de bomba de ariete...................................4

Imagen N° 4: Esquema De Una Bomba De Ariete Con Cada Uno De Sus

Componentes Principales...........................................................................................6

Imagen N° 5: Válvula De NR Y Esquema Simplificado De La Misma....................6

Imagen N° 6: Válvula De Choque Y Esquema Simplificado De La Misma.............7

Imagen N° 7: Esquema simplificado de la caja de válvulas.......................................8

Imagen N° 8: Cámara de aire y esquema simplificado de la misma..........................8

Imagen N° 10: La Fuerza De Arrastre Del Agua Provoca Que La Válvula De

Choque Se Cierre De Golpe.....................................................................................10

Imagen N° 11: Se Produce Un ‘Golpe De Ariete’ Y Aumenta Mucho La Presión

Del Fluido.................................................................................................................11

Imagen N° 12: La Válvula De NR Se Abre Y Permite El Paso De Agua Hacia El

Pulmón Y La Tubería De Elevación........................................................................11

Imagen N° 13: Se Cierra La Válvula De Choque Y Se Va Liberando La Presión

Almacenada En El Pulmón.......................................................................................12

Imagen N° 14: La válvula de choque se abre y comienza de nuevo todo el proceso

..................................................................................................................................12

1

EFECTO ARIETE

1. BOMBA DE ARIETE O ARIETE HIDRÁULICO

La bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico es un motor hidráulico que utiliza la

energía de una cantidad de líquido (comúnmente agua) situada a una altura mayor (el

desnivel  de un río, presa, acequia u otro depósito o caudal), con el objetivo de elevar

una porción  de esa cantidad de líquido hasta una altura mayor que la inicial, mediante

el empleo del fenómeno físico conocido como golpe de ariete. El equipo bombea un

flujo continuo y funciona ininterrumpidamente sin necesidad de otra fuente de energía.

El ariete hidráulico también puede compararse con un transformador eléctrico, ya que

éste recibe una tensión baja (en voltios) con una corriente eléctrica relativamente alta

(en amperios) y obtiene un régimen de mayor tensión y menor amperaje, y en el caso

del ariete ocurre un proceso similar a nivel hidráulico: recibe un gran caudal (Q + q) con

una baja carga (H) y obtiene un régimen de mayor presión (h) con un menor caudal (q).

Aplicaciones

Por el bajo costo de construcción, costo de operación cero y cero contaminación (no se utiliza ningún tipo de energía ni combustible fuera de la fuerza del fluido) se considera que este equipo puede ser utilizado en casi toda actividad donde el caudal inicial de fluido no sea un problema o pueda ser reciclado. La presente tecnología es una alternativa de solución con muchísimas ventajas con respecto al uso de sistemas y equipos de bombeo más conocidos (motobombas, electro bombas), por tanto nos corresponde a nosotros plantear esta alternativa muy antigua por cierto en usos y Necesidades actuales como riego, agua potable y otros. Su uso se limita a tres aplicaciones principales

Elevación de agua potable de los manantiales de los asentamientos en tierras más altas.

Bombeo de agua potable de los arroyos que tienen pendiente significativa. Elevación de agua de riego de los arroyos o canales de riego elevado.

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Principio de funcionamiento

El agua procedente de una fuente de alimentación (1) desciende por gravedad por la

tubería de alimentación o impulso (2) bajo la acción del desnivel en relación con el

ariete hidráulico (H), con un caudal determinado (Q + q), y se derrama al exterior del

cuerpo o caja de válvulas (3) del ariete en una cantidad (Q) hasta adquirir una velocidad

suficiente para que la presión dinámica cierre la válvula de impulso o ímpetu (4).

El cierre brusco de esta válvula produce el efecto conocido como golpe de ariete, lo cual

origina una sobrepresión en la tubería de alimentación que provoca la apertura de la

válvula de retención (5), que permite el paso del agua hacia el interior de la cámara de

aire (6), provoca la compresión del aire existente y cierta cantidad de agua (q) asciende

por la tubería de bombeo o descarga (7). En ese instante se produce una ligera succión

en el cuerpo o caja de válvulas, que provoca una disminución de la presión, la apertura

de la válvula de impulso y el cierre de la válvula de retención. De esta forma se crean

las condiciones para que el proceso se convierta en cíclico, con el consiguiente ascenso

de una columna estable de agua hacia el tanque elevado (8), mediante la tubería de

bombeo.

Imagen N°1: Funcionamiento de la bomba de ariete.

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2. TEORÍA DEL GOLPE DE ARIETE

La Física reconoce el fenómeno denominado golpe de ariete o choque hidráulico, que ocurre cuando varía bruscamente la presión de un fluido dentro de una tubería, motivado por el cierre o abertura de una llave, grifo o válvula; también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor o bomba hidráulica. Durante la fluctuación brusca de la presión el líquido fluye a lo largo de la tubería a una velocidad definida como de propagación de la onda de choque. El golpe de ariete puede ser positivo o negativo, de acuerdo a la forma en que se produzca. Cuando se cierra súbitamente una válvula se presenta un golpe de ariete positivo. El golpe de ariete negativo ocurre al efectuarse la apertura brusca de la válvula.

El cambio de presión provoca deformaciones elásticas en el líquido y en las paredes de la tubería. Este fenómeno se considera indeseable porque causa frecuentes roturas en las redes hidráulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y también es causante de los sonidos característicos que escuchamos en las tuberías cuando abrimos un grifo bruscamente en nuestras casas. Por tal razón, con frecuencia se diseñan válvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad. Un ejemplo de ello es el ruido estruendoso que en ocasiones se produce en instalaciones antiguas, cuando al cerrar un grifo retumba la tubería entera. Ese ruido es señal de que el agua que se desplazaba a una cierta velocidad se ha detenido casi instantáneamente, transmitiendo de golpe la energía cinética que poseía.

El científico ruso N. Zhukovski (1847-1921) estudió este fenómeno por primera vez en su obra Sobre el choque hidráulico, como parte de sus indagaciones hidroaeromecánicas, que constituyeron la base teórica para la ulterior comprensión del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico, lo que demuestra que los fenómenos físicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armónica actuación del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano.

Imagen N°2: Proceso Del Golpe De Ariete En Una Tubería.

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3. PARTES PARA LA INSTALACIÓN DE BOMBA DE ARIETE

El esquema básico de una instalación de bomba de ariete consta de varias partes

diferenciadas:

Imagen N°1: Esquema de una instalación de bomba de ariete.

3.1. Fuente de alimentación

Fuente continua de agua, que normalmente será un río al que le será devuelta unos

metros más abajo el agua descargada por la bomba de ariete. También puede tratarse de

un depósito suficientemente grande, normalmente fabricado de plástico u hormigón.

Esta fuente tendrá que proporcionar agua a una altura H por encima del nivel al que se

encuentre la bomba de ariete. Esta altura H depende del tipo de bomba con el que se

trabaje, así como la altura final a la que se quiera bombear agua y el rendimiento que

busquemos, pero un valor usual puede ser entre 2 y 5 metros.

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3.2. Tubería de alimentación

Tubería larga y rígida que une el depósito de alimentación con la bomba de ariete. Por

esta tubería el fluido se va acelerando para llegar a la bomba de ariete con cierta

velocidad. Por esta tubería se propagarán además varias ondas de choque, por lo que ha

de ser resistente y debe estar bien fijada.

Es aconsejable que tenga la menor cantidad de codos, estrechamientos e imperfecciones

posibles. Conviene también que disponga de un filtro en el extremo de la fuente de

alimentación, para impedir que posibles partículas de determinado tamaño pasen por

ella y puedan llegar a la bomba de ariete.

3.3. Tubería de salida o de elevación

Tubería más estrecha que la de alimentación, por la que el agua se elevará hasta la altura

deseada, h. No se verá sometida a incrementos demasiado bruscos de presión, por lo que

el material más comúnmente utilizado es el plástico. Alturas frecuentes de elevación son

en torno a 4 o 6 veces la altura de alimentación (H).

3.4. Bomba de ariete

Pieza más importante y que estudiaremos más detalladamente. Recoge el agua que le

llega por la tubería de alimentación y consigue elevar una parte de ella por la tubería de

salida o elevación, a costa del resto, que deja fluir al exterior. A su vez se compone de

distintas piezas o partes:

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Imagen N° 2: Esquema De Una Bomba De Ariete Con Cada Uno De Sus

Componentes Principales.

3.4.1 Válvula De NR (No Retorno) O Válvula Check De Pie

También llamada anti-retorno, es una válvula que sólo permite el paso de fluido en uno

de los dos sentidos. Esta válvula comunica la caja de válvulas con la tubería de

elevación, y su función es abrirse sólo cuando la presión en la bomba sea grande, de

forma que en ese momento el agua se eleve por la tubería de elevación, pero cerrarse

cuando la presión sea inferior en la bomba que en la tubería de elevación, de forma que

el agua no pueda volver aguas arriba de la válvula.

Lo más común es que se trate de una válvula anti-retorno de obturador ascendente con

resorte, aunque también puede utilizarse una válvula anti-retorno de bola.

Imagen N° 3: Válvula De NR Y Esquema Simplificado De La Misma

3.4.2. Válvula De Choque O Válvula Check De Paso

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Esta válvula comunicará el resto de la bomba de ariete con el exterior, y su función será

dejar salir el agua al exterior durante unos instantes, de forma que la columna de agua se

vaya acelerando a lo largo de toda la tubería de alimentación, y pasados estos instantes,

cerrarse lo más rápidamente posible para detener el fluido de golpe y dar lugar a una

fuerte sobrepresión.

Esta válvula puede encontrarse de muchas y muy diferentes formas constructivas, pero

quizá la más sencilla sea utilizando una válvula anti-retorno dada la vuelta, de forma

que no deje pasar más de un determinado caudal a su través, y se abra más tarde, debido

a su propio peso o a la suma de su peso más un contrapeso adicional

Imagen N° 4: Válvula De Choque Y Esquema

Simplificado De La Misma.

3.4.3. Caja de válvulas

Esta parte de la bomba es la zona de unión de la tubería de alimentación con las dos

válvulas. En muchos casos no es una caja propiamente dicha, sino que pueden ser varias

piezas de unión, incluso el final de la misma tubería de alimentación, pero conviene

diferenciarla, ya que los procesos que se llevan a cabo en esta zona no son los mismos

que los de ninguna otra

parte.

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Imagen N° 5: Esquema simplificado de la caja de válvulas.

3.4.4. Cámara de aire o pulmón

Es un pequeño depósito (vaso de expansión) que debe haber inmediatamente después de

la válvula de NR, y antes de la tubería de elevación, que contendrá un colchón de aire.

Este aire tendrá la función de absorber de forma continuada los golpes y las

sobrepresiones a las que se verán sometido en instantes puntuales, y de liberar esa

energía progresivamente durante el resto del ciclo al fluido, el cual se verá ayudado a

ser impulsado por la tubería de elevación. Es una forma de amortiguar los golpes y de

proporcionar un caudal de salida más constante.

Imagen N° 6: Cámara de aire y esquema simplificado de la misma.

Además se empleó una serie de materiales e instrumentos para la adecuada construcción

de la bomba de ariete, como son:

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Válvula o llave de alimentación de 1pulg.

Válvula o llave de alimentación de ½pulg.

Niple de plástico pesado (con rosca) de 1 x 2pulg.

Reductor de 1 a ¾pulg.

Reductor de 1 a ½pulg.

T de 1pulg.

Codo de 1pulg. x 90°

Teflón.

Lima

Alicate

Desarmador plano

Un clavo de 2mm de espesor

Encendedor

4. PROCEDIMIENTO

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1) En primer lugar, encontrándose la válvula de choque abierta, comienza a bajar agua

desde el depósito de alimentación por la tubería de alimentación, hasta que llega a la

caja de válvulas y sale por la válvula de choque.

Imagen N° 9: El Agua Sale Al Exterior Por La Válvula De Choque.

2) A medida que

se acelera el

agua, aumenta la

fuerza de

arrastre que

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ésta ejerce sobre la clapeta de la válvula de choque, hasta que es suficiente para

cerrarla de golpe:

Imagen N° 7: La Fuerza De Arrastre Del Agua Provoca Que La Válvula De Choque Se Cierre De Golpe

3) Al cerrarse bruscamente la válvula de choque, la columna de agua que se traslada por

la tubería de alimentación aún posee una gran energía cinética. Esta energía cinética

se disipa a costa de aumentar repentinamente la presión en la caja de válvulas.

Imagen N° 8: Se Produce Un ‘Golpe De Ariete’ Y Aumenta Mucho La Presión Del Fluido

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4) Al tener la caja de válvulas una gran presión, permite la apertura de la válvula de NR

y el paso de agua desde la caja de válvulas hacia la cámara de aire y a través de la

tubería de elevación:

Imagen N° 9: La Válvula De NR Se Abre Y Permite El Paso De Agua Hacia El Pulmón Y La Tubería De Elevación

5) Cuando se igualan las presiones a uno y otro lado de la válvula de NR, ésta se

cierra cortando el paso del fluido, y la presión que se ha acumulado en el aire de

la cámara es transmitida al fluido, que es elevado por la tubería de salida o de

elevación:

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Imagen N° 10: Se Cierra La Válvula De Choque Y Se Va Liberando La Presión Almacenada En El Pulmón

6) Pasados unos instantes, la presión en la caja de válvulas sigue disminuyendo, hasta

que la clapeta de la válvula de choque se abre debido a su propio peso, y comienza

a salir de nuevo agua por ella:

Imagen N° 11: La válvula de choque se abre y comienza de nuevo todo el proceso

7) De esta forma, volvemos a encontrarnos en la misma situación que al principio del

proceso, repitiéndose este una y otra vez de forma continuada hasta que sea

interrumpida voluntariamente, cerrando una llave de paso.

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CONCLUSIONES

La bomba de ariete funcionó como se esperaba antes de realizar las pruebas, se

encontraron dificultades principalmente en la válvula donde se genera el golpe, ya que

en ocasiones la caída de agua era demasiada y cuando la válvula se cerraba, después no

permitía que volviera a abrir; es decir, se trababa y la bomba dejaba de trabajar.

El caudal debe de ser constante para que no exista saltos de caudal

La bomba de ariete consta de una cámara de aire que provoca la elevación del

agua al tanque de descarga.

En el tramo que el agua tenía que recorrer para entrar a la bomba era demasiado

largo, esto influye en el tiempo para que la bomba empiece a funcionar, y a la salida de

la bomba, lo más recomendable es que el tramo de manguera o tubería que tenga que

recorrer el agua sea la longitud justa, esto para reducir el tiempo en el que el agua es

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llevada hasta donde se quiera almacenar o utilizar directamente. También se tiene que

tener en cuenta que si se utilizan mangueras para la entrada de agua, se debe cuidar que

no esté doblada la manguera, para que la velocidad de entrada del fluido a la bomba no

se vea afectada y sea más eficiente. Cuidando cada uno de estos detalles es posible

optimizar la bomba considerablemente en cuanto al líquido aprovechado, el tiempo en

que el agua es llevada al almacenamiento, tiempo para que la bomba empiece a trabajar,

etc.

BIBLIOGRAFÍA

1. Mataix, Claudio. Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. México: Harla, 1976. 582pp.

2. Saldarriaga, Juan. Hidráulica de tuberías: abastecimiento de agua, redes, riegos.México: Alfaomega, 2007. XVIII+690pp.

3. Streeter, L. Victor y E. Benjamin Wylie. Mecánica de los fluidos. 3ª ed. México: McGraw-Hill, 1996. IX+594pp.

4. Azevedo, J.M. y Guillermo Acosta A. Manual de hidráulica. 6a ed. México: Harla, 1975. 578pp.