bomba de ariete - prototipos

8/12/2019 Bomba de Ariete - Prototipos

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Estudiantes:DANIEL MALDONADO GARCÍAJUAN ALBERTO CALERO

FABIAN OTALORADirectores:

Ing. Nelson ArzolaIng. 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 PROTOTIPO

ARIETE 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 agua

para 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 unavelocidad suficiente como para que se cierre la válvula de desperdicio. Entoncesse crea una fuerte presión, al detenerse el agua bruscamente. Este golpe depresión abre la válvula de alimentación y hace pasar un pequeño chorro de aguaa la cámara de aire, hasta que se equilibran las presiones. En ese momento, lagravedad 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 segundosuele ser de uno o dos.

Funcionamiento



Valor esperado del proyecto:Marketing: $50.000Diseño: $100.000Manufactura: $200.000Validación prototipo: $50.000

Total: $405.000Presupuesto destinado :

Materiales y manufactura: $200.000Implementos de experimentación: $20.000

Tiempo de desarrollo:15 semanas



PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMALos sistemas hidráulicos de bombeo deagua son equipos que pueden abastecer de agua a pequeños poblados para elconsumo familiar o riego. La fuerza quemueve el equipo de bombeo puede ser un 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

Diametrotuberia de

salida

Alturamínima deentrada (m)

Alturamáxima deentrada (m)

Alturamáxima desalida (m)

Caudal deentrada

(m^3/min)

Caudal desalida

(m^3/min)

Meribah (PVC) 1" 1/2" 1 3 21 16 3Meribah (Galvanizado) 1" 1/2" 1 2,5 20 16 3,5Lidgerwood Industrial 1" 1/2" 1 1 6 15 1,6Blake 1" 1/2" 1 1 6 15,1 1,2Rife 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 permitiríaregular el caudal sin afectar lavida útil de esta, pero no existeesta para conectar a una tuberíade 1”, la válvula de alimentacióny la válvula de desperdicio sedeben construir, lo que significa

un gasto mayor en comparacióna comprar las partesestandarizadas.



Presenta 3 válvulas dedesperdicio en serie paraaumentar la presión delgolpe de ariete, además detubería galvanizada, estos

factores incrementarían elcosto del producto, ademássi se usa este modelo espara alcanzar mayor alturade salida debido a que sepresentan 3 golpes en unsolo ciclo, su principaldificultad es el costo de loselementos.

Alternativa 2



Alternativa 3

En esta alternativa ya setienen elementosnormalizados en todo elariete y de bajo costorelativos a usar acerogalvanizado o válvulas quese deban manufacturar, loque la hace una muy buenaopción, la dificultad esta quela válvula de bola no regulacaudal, ya que paraaumentar su vida útil se debetener totalmente abierta ototalmente 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 0Presion soportada 0 0 +fácil manejo + 0 0vida util + 0 +mantenimiento + 0 -que no produzcaextrangulamiento - 0 +sumar + 5 0 4sumar 0 2 8 2sumar - 1 0 2Puntuacion neta 4 0 2Continua? si revisar si

Válvula de alimentación Conceptos

A B Cretención retención

Criterios de selección chequede bola

(Ref)restringida

Yorksoportar golpe de ariete - 0 +Presion soportada - 0 +evitar exesiva resistencia al flujo + 0 0resistencia a la fatíga 0 0 -vida util 0 0 0mantenimiento + 0 +que no produzcaextrangulamiento - 0 +sumar + 2 0 4sumar 0 2 7 2

sumar - 3 0 1Puntuacion neta -1 0 3Continua? no revisar si



Tubería E/S Conceptos

A B C

PVC PVC AceroCriterios de selección alta presión Sanitaria (Ref) Galvanizadomenores perdidas + 0 -soportar heladas 0 0 0costo + 0 -peso + 0 0soporta presión - 0 +sumar + 3 0 1sumar 0 1 6 2sumar - 1 0 2Puntuacion neta 2 0 -1Continua? si no no

Válvula de desperdicio Conceptos

A B CVálvula Válvula válvula de

Criterios de selección Bamfordde pie

modificada charnelaresistencia alta fatiga + + 0Regulación - + 0soporte presion + - 0mantenimiento 0 + 0costo - + 0

sumar + 2 4 0sumar 0 1 0 5sumar - 2 1 0Puntuacion neta 0 3 0Continua? revisar Si no



PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DEDISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓNSe elige esta alternativadebido a que presentacomponentes estándar y

además económicos, comopor ejemplo el cuerpo ycámara del ariete en PVC quetiene costo menor a la tuberíagalvanizada. Otro elementofundamental es la válvula dedesperdicio la cual es

modificar el funcionamiento deuna válvula de pie común,además las uniones son defácil ensamble para si senecesita realizar limpieza.



GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DELPRODUCTO•Tubería de entrada: tubería conduit debido aque la tubería de entrada no va a soportar altas presiones, además de su bajo costo, seencuentra de 1” estandarizado.

• Cuerpo del ariete: tubería RDE 13.5 debidoa la presión de trabajo que soporta (315 Psique es mayor a la producida por el golpe deariete); se encuentra de 1” estandarizado,además de todos sus accesorios para unirlo

• Válvula de apertura: válvula de bola enPVC, es de bajo costo y su acople escompatible a la tubería usada

• Válvula de alimentación: válvula restringidael flujo en una dirección con retención.

• Válvula de desperdicio: válvula de piemodificada con el fin de regular los golpes por minuto.

•Tubería de salida: se empleara unamanguera de 1/2’’ ya que no requiere soportar altas presiones.



Modelo matemático para determinar la presión máxima en elcuerpo 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



SeguridadEl usuario debe evitar fuerzasexternas a la cámara de aire, ya quesu correcto funcionamiento dependede su posición vertical. Por ningúnmotivo, la válvula de desperdiciodebe ser obstruida, de lo contrario eldispositivo dejara de funcionar. Si serequiere cambiar alguna pieza por

mantenimiento, hacerlo con el arietecerrado, con las válvulas cerradas.



APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO

El diseño cumplió con las expectativasplanteadas. Sin embargo, todavía se puedenhacer mejoras al dispositivo, que no se

contemplaron en este desarrollo.Si el prototipo fuera a implementarse, se

podrían solucionar problemas deabastecimiento en zonas rurales. Es una granalternativa de bombeo de agua, para el sector

agrario a pequeña escala.



ANÁLISIS ECONÓMICO

COSTOS DE MATERIALESElemento Valor (pesos)

Válvula de pie 30000Válvula de retención York 13000

Válvula de bola 4000Tubería RDE 15000

Accesorios RDE 15000Adaptadores Galvanizados 7000

Manómetros 21000Manguera (11m) 9000

Soldadura plástica 10000Total 124000



CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

•Para el desarrollo de un producto es necesario seguir una 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 YHERRAMIENTAS DE INGENIERÍAEMPLEADAS

• 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.

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