FIQLaboratorio de Ingeniería Química I

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“BOMBA DE ARIETE”

CURSO : Laboratorio de Ingeniería Química I

PROFESOR : Ing. Jorge López Herrera

ALUMNOS : Auccapiña Ramos, Edwin 070777E

Cayo Gonzales, Hans 070804B

Champi Claros, John Félix 070786D

Vargas Araoz, John J. 060731B

BELLAVISTA - CALLAO

2012-A

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BOMBA DE ARIETE

I. OBJETIVOS

Conocer el funcionamiento de una bomba ariete

Describir el fenómeno de golpe de ariete que se produce en la bomba

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

BOMBA DE ARIETE

Una bomba de ariete es una bomba hidráulica cíclica que utiliza la energía cinética de un golpe de ariete en un fluido para subir una parte de ese fluido a un nivel superior. No necesita por lo tanto aporte de otra energía exterior. Esto y su sencillez la hacen adecuada para lugares remotos donde no hay acceso a energía eléctrica o motores de otro tipo.

Su característica principal es su bajísimo costo operacional ya que no consume bencina, gas, petróleo, electricidad etc. Esta bomba ofrece un funcionamiento ininterrumpido por muchos años por estar fabricada en plástico reforzado con fibra de vidrio. Su costo de instalación no es más elevado que el de otros sistemas de bombeo (casetas, tomas de agua, filtros, anclajes, estanque elevado con la ventaja de que puede ser instalada a la intemperie, ya que no necesita una caseta de motobombas.

Historia

Al parecer John Whitehurst de Cheshire en 1772 fabricó lo que llamó una "máquina de pulsación" pero no se tienen detalles sobre el invento. La primera bomba de ariete similar a las de hoy de la que tenemos noticia fue inventada en 1796 por Joseph Michel Montgolfier quien la instaló en su fábrica de papel. Durante el siglo XIX la bomba de ariete se popularizó mucho pero con la llegada de la electricidad y los motores de bajo coste, ha caído en desuso.

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Bomba de ariete:

A. Depósito de origen;

B. Tubería de carga;

C. Válvula de descarga;

D. Válvula de retención;

E. Calderín de presión;

F. Tubería de descarga;

G. Depósito de descarga;

K. Válvula (opcional) de admisión de aire.

Principio de funcionamiento

La bomba de ariete opera bajo el principio de aprovechamiento del golpe de ariete. El golpe de ariete es un fenómeno hidrodinámico producido por la detención brusca de una corriente de agua confinada en una tubería. Esta onda posee una presión varias veces mayor que la existente antes de la detención, provocando que el agua suba hacia el estanque de acumulación. La instalación se coloca al lado de un cauce y a un nivel más bajo que éste, la bomba de ariete impulsa el agua que toma del río por una tubería que asciende a lo largo de la falda de la loma, hasta un tanque donde cae con un ritmo regular.

El golpe de ariete o pulso de Joukowski, se origina debido a que el agua es ligeramente compresible. En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula instalada en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de agua que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento.

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Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad algo menor que la velocidad del sonido en el agua. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el agua, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando toda el agua que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse.

El principio de funcionamiento de un ariete hidráulico es el siguiente:

El líquido, habitualmente agua, se obtiene a partir de un depósito A.

El agua se acelera al fluir hacia abajo por un tubo inclinado B, convirtiendo parte de su energía potencial en energía cinética.

Cuando la velocidad llega a un determinado valor, la válvula de descarga C se cierra, cortando el flujo. Entonces, se genera una sobrepresión en el extremo inferior del tubo, la cual fuerza a abrir la válvula antirretorno D y a subir el agua por el tubo de descarga F, hacia un depósito G que permanece en un nivel superior.

Cuando disminuye la presión en la tubería, la válvula C vuelve a abrirse debido a la gravedad, y así se genera el ciclo. Arriba de la válvula antirretorno hay una campana E llena de aire a presión, que amortigua los golpes de ariete y mantiene constante el flujo de agua por el tubo F.

Este juego de válvulas que se repite de forma continuada, provocado por la columna de agua empujada, dio al ariete hidráulico su nombre, que hace referencia al carnero que va siempre dando empujones.

La bomba de ariete no tiene un rendimiento energético perfecto, si éste fuera del 100% la relación entre la masa de agua Q perdida por la válvula C, multiplicada por la altura h de suministro, sería igual a la altura H de elevación, multiplicada por la masa de agua elevada q, es decir:

q = Q*h/H

Donde no se tienen en cuenta las pérdidas internas.

En realidad el rendimiento es inferior y depende en gran medida de la relación, entre las alturas, H/h. El rendimiento decrece pues, según se incrementa H si mantenemos la misma altura de suministro h constante, por ello para grandes alturas de elevación H el rendimiento es muy bajo si no se puede modificar la altura del suministro de agua.

Características de Operación

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Elevación: El ariete puede elevar el agua a una altura superior a los 70 metros, dependiendo de las condiciones del terreno, básicamente depende de la diferencia de altura entre las tomas de agua y el ariete ( ver gráfico mas abajo que explica esta situación). Para que el ariete funcione debe haber un desnivel mínimo de 1 metro de altura entre la toma de agua y la entrada del ariete. Cuando hay una caída natural de agua es muy simple la instalación

Distancia: Se puede conducir el agua a una distancia superior a los 2.000 metros entre el ariete y el estanque en altura. No tiene una gran pérdida de carga como las motobombas, ya que la velocidad del agua es muy baja

GOLPE DE ARIETE

Se llama golpe de ariete a una modificación de la presión en una conducción debida a la variación del estado dinámico del líquido.

El golpe de ariete o pulso de Joukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolay Egorovich Zhukovskiy (Жуковский, Николай Егорович en ruso), es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

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Fase uno Fase dos

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El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad algo menor que la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y a la dilatación de la tubería.

Aunque este fenómeno sea perjudicial en muchos sistemas es un fenómeno que se aprovecha en las bombas de ariete.

Consecuencias

Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc.).

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe.

El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc.

Dispositivos para controlar el golpe de ariete

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Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más deberá durar el cierre.

Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico.

Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales (1ª función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el Fluido, para evitar que se generen vacíos; 2ª función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el Fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire; 3ª función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa).1

Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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El diseño de la bomba de ariete se presenta como:

DATOS OBTENIDOS Y CÁLCULOS

A. Desfogue del agua en el tanque

hNivel del aguaenel tanque=0 .52m

Determinando el caudal de salida del tanque

P1

γ+V 1

2

2 g+z1=

P2

γ+V 2

2

2g+z2

Despreciando pé rdidas decarga

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P1=P2=0

V 1=0

Z2=0

V 2=√2 gZ1 ¿√2gh

V=√2×9.81mseg2 ×0 .58m=3 .3734 m /s

ATuberia=π ×D2

4=π ×(1 .5×0 .0254 m)2

4=1 .14009×10−3m2

Qsalida tanque=V × A tuberia=3.3734 m /s×1 .14009×10−3m2

Qsalida tanque=3 .8459×10−3m3 /s

QEntradaa la bombade Ariete=Q salidatanque=3 .8459×10−3m3/s

B. Desfogue del agua en el segundo piso del LOPU

hDel tanquerespecto al N . R=1.87m.

hDelbalde respectoal N .R=4.79m .

Caudales de llegada al segundo piso con la probeta y cronometro

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Volumen Tiempo Caudal

6.5 L 95 s 6.842×10-5m3/s

2 L 43.76 s 4.570×10-5 m3/s

2 L 50.26 s 3.979×10-5 m3/s

Q promedio=6.842×10−5 m

3

s+4.570×10−5 m

3

s+3.979×10−5 m

3

s3

QSalida dela bombade Ariete=Q promedio=5.130×10−5 m3

s

Eficiencia volumétrica de la bomba hasta el tanque

nvolumetrica=QSalida dela bombade Ariete

QEntrada a labomba de Ariete

nvolumetrica=5.130×10−5 m

3

s3.8459×10−3m3/ s

×100 %=1.333 %

nmecanico=hH

×100 %=1.87m4.79m

×100 %=39 .039 %

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IV. CONCLUSIONES:

Se determino para que halla un buen funcionamiento de la bomba de ariete debe haber un desnivel en la toma de agua de la entrada del ariete.

Se determino experimentalmente que a una mayor altura la eficiencia o rendimiento de la bomba de ariete disminuye.

Se determinó que una bomba de ariete que presenta un fenómeno perjudicial para el movimiento de fluidos (golpe de ariete) se puede aprovechar de gran forma para llevar el fluido a un lugar más elevado sin el uso de la energía eléctrica.

V. RECOMENDACIONES:

Se recomienda que al momento de instalar la bomba de ariete en la toma de agua (la entrada del ariete) presente un caudal uniforme para que halla un buen funcionamiento de la bomba de ariete.

Se recomienda que la altura del depósito de descarga se mantenga constante para que la velocidad del fluido se mantenga constante.

VI. BIBLIOGRAFIA:

MUNSON Bruce, YOUNG Donald y OKIISHI Theodore. Fundamentos de Mecánica de fluidos. México D.F: Limusa Wiley, 1999

ACOSTA ÁLVAREZ, Guillermo; AZEVEDO NETTO, J.M. “Manual de Hidráulica”. Sexta edición. México 1975.

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ANEXO

EL ARIETE HIDRAULICO

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Tipo de bombas de Ariete

Ariete hidráulico multipulsorAHM CITA 6-L3V

Diámetro de la tubería de impulso: 6 pulgadas.Diámetro de la tubería de descarga:2 pulgadas.Capacidad del tanque de aire:0,016 m3.Cantidad de válvulas: 3 en línea.Válvula de retención: de diafragma.Peso: 168 kg.

 

Fabricado en el CITA, en Camagüey.Nota: Construido con componentes y accesorios estandarizados de acero galvanizado. La inversión de la instalación se recupera en menos de un año, y puede beneficiar una comunidad de entre cien y mil habitantes, o utilizarse para el riego de pequeñas parcelas y el abasto de granjas ganaderas. Con este modelo se han logrado cargas de 160 m y volúmenes de agua diarios de 173 m3, con cargas de impulso de 5 m.

Ariete hidráulico multipulsorAHM CITA 3-L3V-AG

Diámetro de la tubería de impulso: 3 pulgadas.Diámetro de la tubería de descarga:1,5 pulgadas.Capacidad del tanque de aire:0,01 m3.Cantidad de válvulas: 3 en línea.Válvula de retención: de diafragma.Peso: 26 kg.

 

Fabricado en el CITA, en Camagüey.Nota: Construido con componentes y accesorios de acero galvanizado estandarizados. Puede bombear 52 m3 de agua hasta una altura de 80 m. Cada equipo logra ahorrar 3,1 tonelada de petróleo anuales. Puede emplearse para el abastecimiento de agua en pequeñas comunidades, la ganadería y el riego a parcelas agropecuarias.

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Ariete hidráulico multipulsorAH-4 (IMPAG)

Diámetro de la tubería de impulso: 4 pulgadas.Diámetro de la tubería de descarga:2 pulgadas.Capacidad del tanque de aire:0,005 m3.Cantidad de válvulas: 10.Válvula de retención: de ímpetu o impulso.Peso: 45 kg.

Fabricado en la Empresa de Equipos Agrícolas «Héroes del 26 de Julio», en Holguín.Nota: La empresa produce pequeñas series de este modelo.

 

Ariete hidráulico multipulsorDANÉS

Diámetro de la tubería de impulso: 2 pulgadas.Diámetro de la tubería de descarga:1 pulgada.Capacidad del tanque de aire:0,005 m3.Cantidad de válvulas: 2, de compuerta con articulación libre.Válvula de retención: de diafragma.Peso: 16 kg.Fabricado en el CITA, en Camagüey.

Nota: Logra funcionar establemente con una carga de impulso de 2,75 m. Puede entregar un caudal de 0,8 L/s, bajo condiciones específicas. Su frecuencia de golpe oscila entre veintiocho y cincuenta golpes por minuto.

 

Usos a nivel comercial

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la agricultura para regar las chacras y huertos; riego de zonas secas como desiertos y/o zonas altas. En la sierra del Perú

la ganadería para alimentar y bañar a los animales reservorios de agua para diversos usos como riego de pastizales consumo humano zonas en las que no hay corriente eléctrica.

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CONSTRUCCIÓN DE UN PEQUEÑO ARIETE HIDRÁULICO

En esta oportunidad veremos todas las partes para la construcción de una bomba de ariete, gracias en parte  a la colaboración del amigo Javier Vargas.

Las bombas de Ariete son máquinas económicas tanto en sus componentes y su construcción propiamente ya que puede ser realizado por cualquiera de nosotros  utilizando materiales de uso doméstico que lo podemos encontrar en una ferretería.  También las hay las bombas de ariete mucho más sofisticadas que se pueden conseguir con mas recursos y obviamente tendrán mucha mejor duración.

Por su bajo costo de fabricación, cero costo de funcionamiento y lo más importante hoy en día no contamina el medio ambiente porqué no usa ningún tipo de combustible fósil ni electricidad, solamente es necesario la fuerza de una corriente de agua. Se considera que esta tecnología puede ser utilizada 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 como son las motobombas, electro bombas, etc. 

A continuación las partes y estructura de armado de una bomba de ariete con una estructura general a 1 pulgada: 1 Codo PVC 1"1 Cinta Teflón2 Te PVC 1"4 Niple PVC 1"1 Niple PVC de 1" x 2"1 Válvula Check de fondo1 Válvula Check de paso1 Válvula PVC 1"1 Válvula PVC 1/2"2 Abrazaderas1 Reducción de 1" a 1/2"1 Reductor tipo campana1 Botella descartable de 2 litros

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