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CARACTERIZACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO DISPONIBLE PARA BOMBEO MANUAL

Ulpiano Ruiz-Rivas Hernando

Grupo de Tecnologías Apropiadas

Universidad Carlos III de Madrid

Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manualU. Ruiz-Rivas et al.

CONTENIDOS

– INTRODUCCIÓN

– RANGO DE FUNCIONAMIENTO DE B.M.

– ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO

– MECANISMOS DE APROVECHAMIENTO

– VOLUMEN DE AGUA EXTRAIBLE

– CONCLUSIONES

1


• Energía humana

– Cubre aproximadamente un 1% del consumo global (1000-1500 TWh, más del doble que la eólica y un 20% de la hidráulica)

– Varía de forma importante con edad, forma física, condiciones climáticas, músculos utilizados, etc.

INTRODUCCIÓN

• Abastecimiento de agua

– Concepto VLOM (Arlosoroff et al 1987, Colin et al 1999)

– Necesidades por persona y día de agua potable: diferentes modelos (OMS 2003)

2

Nivel del servicio Medición del acceso Necesidades atendidas Efecto en la salud

Acceso básico • 20 lpd• 20 min. de tiempo de recolección

• Consumo • Higiene básica de los alimentos

Alto

Acceso intermedio • 50 lpd• Grifo público (5 min de t. r.)

• Consumo• Higiene básica de los alimentos y personal

Bajo

Acceso óptimo • 100 lpd• Abastecimiento continuo

• Consumo• Higiene básica de los alimentos y personal• Lavado de ropa y baño

Muy bajo


• Bombeo manual– Estandarización

– Clasificación de bombas manuales

– Dominio público

• Bombas de pistón:– De succión: nº6, <7m– De acción directa: Malda, Nira, Tara <20m– De palanca: Afridev, India Mark, Jibon… <45m– De volanta <80m

• Bombas de diafragma: Vergnet <45m• Bombas de arrastre: de mecate <45m

INTRODUCCIÓN

• Bombas de arrastre: de mecate <45m

3

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Ren

dim

ien

to d

e la

bo

mb

a (%

)

Altura de bombeo (m)

No 6 Jibon

Malda/Nira/Tara Mecate

Vergnet U3M

Afridev Bush

India Mark II/III Volanta


CONTENIDOS

– INTRODUCCIÓN





– CONCLUSIONES

4


PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

• Parámetros que afectan al dimensionado de una instalación:

– Parámetros de entrada

• Altura de bombeo H

• Volumen a bombear V

RANGO DE FUNCIONAMIENTO·

··

BMW tH V

g

ηρ

=ɺ

NIVEL DE ABASTECIMIENTO 20–100 lpd

NUMERO DE PERSONAS POR USUARIO 1–8 p• Volumen a bombear V

– Esfuerzo humano

• Tiempo empleado ?

• Potencia desarrollada

– Características técnicas de la bomba

• Mecanismo de funcionamiento

• Rendimiento 50–90%

• Otros parámetros

5

NUMERO DE PERSONAS POR USUARIO 1–8 p

NÚMERO TOTAL DE PERSONAS ABASTECIDAS N·xn

POTENCIA DISPONIBLE (tipo usuario, proceso…)

PAR Y FRECUENCIA, FUERZA Y VELOCIDAD?

EVALUACION DEL ESFUERZO NECESARIO MODELO DE LA BOMBA


CONTENIDOS

– INTRODUCCIÓN





– CONCLUSIONES

6


DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA HUMANA DISPONIBLE• Estimaciones generales de amplia difusión.

– Banco Mundial, RWSN o SKAT 75W (diseño y caracterización de BM)

– FAO ~60W

– Fuller y Aye (2012) 75-150W con continuos intervalos de reposo

ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO

– Fuller y Aye (2012) 75-150W con continuos intervalos de reposo

• Grandes variaciones (edad, sexo, peso, duración, forma, alimentación…)

• Tipos de estudio:

– Estudios para deportistas o estudios ergométricos fundamentales: capacidad del cuerpo humano

– Estudios basados en el consumo de energía y la dieta

– Estudios experimentales sobre bombas manuales

• Sobre el accionamiento

• Sobre el sistema completo

• Tipos de accionamiento: con los brazos, con las piernas (pedaleando, otros), con todo el cuerpo 7


CAPACIDAD DEL CUERPO HUMANO


8


ENERGÍA DIARIA DISPONIBLE


9


POTENCIA DISPONIBLE EN ESTUDIOS DE BOMBAS MANUALES


10


RESUMEN DE CONCLUSIONES DE LA REVISION BIBLIOGRÁFICA

• Gran disparidad de datos

• Efecto fundamental del tiempo de bombeo por operador

• Efecto fundamental de la forma física y dieta del operador


11

• Efecto fundamental de la forma física y dieta del operador

• Efecto de la edad, el peso, etc.

•Tiempos de bombeo largos (>1h) limitados por aporte energético

• En los estudios sobre bombas manuales:

• Dos rangos disímiles

• El rango alto (Hofkes, Avallone, O’Hea…) ¿aplicable?

• Las características locales (pozo, mecanismo) son fundamentales


CONTENIDOS

– INTRODUCCIÓN





– CONCLUSIONES

12


EFECTOS DEL EQUIPO SOBRE LA POTENCIA SUMINISTRADA

• rendimiento propio de la instalación (rozamientos, pérdidas de caudal...

• entornos de fuerzas y velocidades posibles

•

MECANISMO DE APROVECHAMIENTO

·W F v=ɺ

13

•

• Casos alejados de las F ó v óptimas

• mecanismos que operan aprovechando el peso del cuerpo en lugar de

hacer uso de la potencia muscular

·W F v=ɺ


MECANISMOS BÁSICOS


F, v v = ω R

Rω

F

14

• ejemplo de rangos habituales para bombeo durante algunos minutos

·2 · · ·mW F R fπ τ ω= =ɺ·2· · m

ciclo

F CF C F CW

t t t+ −

+ −

+= =+

ɺ

Brazos Piernas Alternativo

Fuerza razonable 30–50N 50–150N 400N ↓ 30N ↑

R manivela 20–25cm 17cm 0,2–0,4m

Frecuencia / tiempo 1Hz 60–100rpm 2–4s

Potencia 38–80W 60–270W 20–80W


EFECTO DEL POZO Y EFECTO DE LA BOMBA

• efecto de las características del pozo: F = f (h)

• ejemplos de equipos habituales (estandarizados, BM-SKAT)

a. Bomba de mecate (Modelo Madagascar)


15

a. Bomba de mecate (Modelo Madagascar)

b. Bomba de acción directa (Modelo Malda)

c. Bomba de palanca (Modelo Afridev)

Mecate(Madagascar)

Malda Afridev

Diámetro de la tubería de impulsión 28.2mm 51.4mm 53.6mm

Diámetro del eje - 40mm 12mm

Relación de radios manivela - rueda 222/210 - -

Carrera - 408mm 225mm

Relación de radios de la palanca (min) - - 648/225

Relación de radios de la palanca (max) - - 1168/225

Altura mínima de impulsión 1m 1m 10m

Altura máxima de impulsión 30m 12m (15m) 45m


rRω

D

2

4 R

DF gH F

πρ= +


BOMBA DE MECATE (MODELO MADAGASCAR)

(1Hz )Altura (m) Fuerza (N) Potencia (W)

1 6 8

16

pQ RF• alturas menores de los 8m• fuerzas excesivas• modificación del diseño:

• disminuir D• aumentar Rr/Rm; introducir cambio, bici…

• alturas menores de los 8m• modificación del diseño:

• aumentar D• aumentar la frecuencia (?)

8 50 65

30 184 240

Altura (m) Potencia (W)

2 16

5 40



BOMBA DE MECATE (DIVERSOS MODELOS)

17


MECANISMO DE APROVECHAMIENTOBOMBA DE PALANCA (MODELO AFRIDEV)

( )2 2 2

(muscular)t e f Re

h ag e P

D D F FDF gH gH F

π πρ ρ− +

> − − +

( )2 2 2

(peso)4 4t e e R

h ag e P

D D D FF gH gH F

r r r

π πρ ρ−

+ − +

≫

(5)

18

(muscular)4 4h ag e PF gH gH F

r r rρ ρ> − − +

Altura (m)

Periodo(s)

Potencia(W)

10 1,3 7510 2 4045 5,7 75



BOMBA DE ACCIÓN DIRECTA (MODELO MALDA)

F+→ peso

F-→musculatura

• aumenta De y disminuye la densidad global del eje

· ·F C F CW

t t+ −

+ −

+=+

ɺ

19

• aumenta De y disminuye la densidad global del eje

• empuje hidrostático o de Arquímedes

•en la carrera de bajada (supuesto t=2s )

• potencias bajas (pérdida de carga!)

Altura (m) Fuerza (N) Potencia (W)1 20 3

15 250 50

Altura (m) Potencia (W)5 16

13 40


CONTENIDOS

– INTRODUCCIÓN





– CONCLUSIONES

20


VOLUMEN EXTRAIBLE

Potencia disponible 30–60 WRendimiento de la bomba 60–80% Nivel de abastecimiento 20–100 lpd

CAPACIDAD DE ABASTECIMIENTO (rangos de ejemplo)

21Volumen de agua obtenible en una hora Número de personas abastecidas

t = 8h1 persona que en20 minutos abastece (50lpd) a 8 p


VOLUMEN EXTRAIBLECAPACIDAD DE ABASTECIMIENTO (rangos de ejemplo)

600

700

800

900

1.000

22

Datos medios África (UNICEF-RWSN) Número de personas abastecidas

t = 8h

-

100

200

300

400

500

600

An

gola

Ben

in

Bu

rkin

a Fa

so

Cam

ero

on

Co

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'Ivo

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DR

C

Eth

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Gu

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Lib

eria

Mad

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Mal

i

Mo

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Nig

er

Nig

eria

Sier

ra L

eon

e

Uga

nd

a

Zam

bia

Zim

bab

we


CONTENIDOS

– INTRODUCCIÓN





– CONCLUSIONES

23


• El esfuerzo humano disponible depende fuertemente de un número amplio de parámetros → Necesidad de una evaluación específica en cada caso.

– Potencia.

– Fuerza.

– Velocidad o frecuencia.

• Efecto de la bomba y del pozo.

CONCLUSIONES

• Efecto de la bomba y del pozo.– Potencias bajas para pozos poco profundos o necesidad de modificaciones complejas

– Problemas en entornos de fuerzas y velocidades habituales.

– Posibilidad (y dificultad) de rediseño.

– Uso adecuado del peso del propio cuerpo

• Efecto sobre los caudales disponibles. Realismo o magia.

• NECESIDAD DE MEDIDAS ESPECÍFICAS PARA EL DISEÑO ADECUADO DE LOS SISTEMAS: LAS BOMBAS MANUALES SON SISTEMAS ROBUSTOS Y FUNCIONAN FACILMENTE, PERO EL DISEÑO ÓPTIMO DEL SISTEMA NO ES SENCILLO. NO ES POSIBLE EXTRAPOLAR DE CASOS PREVIOS

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CARACTERIZACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO DISPONIBLE PARA BOMBEO MANUAL

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