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ENERGÍAS RENOVABLES PARA EL DESARROLLO
AGRÍCOLA PRODUCTIVO
Energías Renovables para el desarrollo Agrícola Productivo, ERDAP aprovecha los saberes tecnológicos y prácticas apropiadas para el uso eficiente de los recursos hídricos para beneficio de las comunidades campesinas y de la colectividad.
Bombas de Ariete Hidráulico 1”
Ronald PEÑARRIETA-CAPRIROLO
Enero 2009
2
Contenido
1. Introducción ..................................................................................................................................................... 4
2. Qué es una Pequeña Bomba de Ariete Hidráulico BAH 1”? ............................................................................. 5
3. Usos y aplicaciones .......................................................................................................................................... 5
4. Ventajas y desventajas ..................................................................................................................................... 6
5. Partes de una BAH 1” ...................................................................................................................................... 7
5.1 Tubería de alimentación........................................................................................................................... 8
5.2 Llaves de paso ......................................................................................................................................... 8
5.3 Accesorios ............................................................................................................................................... 8
5.4 Válvula check de paso ............................................................................................................................. 8
5.5 Válvula de derrame-percutor.................................................................................................................... 8
5.6 Acumulador ............................................................................................................................................. 9
6. Funcionamiento de una BAH 1” ..................................................................................................................... 10
7. Partes de un sistema de bombeo ..................................................................................................................... 10
7.1 Fuente de alimentación .......................................................................................................................... 11
7.2 Bomba ................................................................................................................................................... 11
7.3 Tubería de elevación .............................................................................................................................. 11
8. Criterios hidráulicos ....................................................................................................................................... 12
8.1 Altura de alimentación (H [m]) .............................................................................................................. 12
8.2 Caudal de Alimentación (Q [l/min]) ....................................................................................................... 12
8.3 Longitud de tubería de alimentación (L [m]) .......................................................................................... 13
8.4 Altura de elevación (h [m]) .................................................................................................................... 13
8.5 Caudal de descarga (q [l/min]) ............................................................................................................... 13
8.6 Longitud de la tubería de descarga (l [m]) .............................................................................................. 14
8.7 Eficiencia ( [%]) .................................................................................................................................. 14
8.8 Golpes por minuto (GPM) ..................................................................................................................... 15
8.9 Número de bombas ................................................................................................................................ 15
8.10 Potencia (P [W]) .................................................................................................................................... 15
9. Criterios de selección de una BAH 1” ............................................................................................................ 15
10. Construcción de una BAH 1” ......................................................................................................................... 19
10.1 Materiales y costo .................................................................................................................................. 19
10.2 Construcción ......................................................................................................................................... 19
11. Operación y mantenimiento ........................................................................................................................... 20
11.1 Puesta en operación ............................................................................................................................... 20
a. Tubería de alimentación ............................................................................................................................. 20
b. Sifonamiento de la tubería de alimentación ................................................................................................ 21
3
c. Manejo de llaves de paso ........................................................................................................................... 21
d. Accionamiento y ajuste del percutor .......................................................................................................... 21
e. Descarga .................................................................................................................................................... 21
11.2 Mantenimiento ...................................................................................................................................... 21
12. Revisión bibliográfica .................................................................................................................................... 22
13. Anexos y tablas .............................................................................................................................................. 23
Anexo 1 Medición de la altura de alimentación (H) ................................................................................................ 24
Anexo 2 Aforo Volumétrico: Medición de caudal (Q) ............................................................................................ 26
Anexo 3 Relaciones hidráulicas importantes de una BAH ....................................................................................... 30
Anexo 4 Pérdidas de carga en tuberías de PVC y PE .............................................................................................. 31
Anexo 5 Unidades .................................................................................................................................................. 32
Anexo 6 Consideraciones para la elección de fuentes de energía ............................................................................. 33
4
Bomba de Ariete Hidráulico (BAH 1”)
1. Introducción
Las energías renovables son energías baratas, limpias y accesibles. Existen diversas fuentes de energía
como la eólica, solar, biomasa e hidráulica siendo ésta última más barata y accesible que las anteriores.
En el grupo de las energías hidráulica se encuentran las Bombas de Ariete1 que aprovecha la energía del
agua en movimiento (energía cinética) convirtiéndola a través de un mecanismo en potencia mecánica
para elevar o bombear el agua desde un nivel inferior a un nivel superior. Las Bombas de Ariete no
necesitan ningún tipo de suministro de energía (ya sea eléctrica, diesel o gasolina) más que una caída para
su funcionamiento; éstas máquinas pueden operar inenterrupidamente día y noche. Existen tres tipos de
bombas de ariete: i) Pequeñas Bombas de Ariete Hidráulico (BAH 1”); ii) medianas y iii) grandes (Fig. 1
y 2). Las BAH 1” son de fácil construcción, operación y mantenimiento siendo ideal para las condiciones
de montaña o en aquellas regiones donde no existe suministro eléctrico o donde su acceso es caro para
operar un sistema de bombeo convencional.
Figura 1 Bomba de Ariete 1” Figura 2 Bomba de Ariete de 4”
1 El Ariete Hidráulico fue patentado en 1796 por el francés Joseph Montgolfier (Urkia, I.; Urkia, S., 2003); aunque se tiene
referencias de que John Whitehurst en 1772 fabricó lo que llamó una „máquina de pulsación‟ pero no se tienen detalles sobre el
invento (Schiller, 1986). También se sabe que los griegos y romanos ya conocían de esta tecnología que fue llevada a europa por
los germanos que visitaron grecia; la expresión „Golpe de Ariete‟ se remonta a la edad media por el instrumento medieval
también llamado golpe de ariete que consistía en un tronco con cabeza de carnero que se empleaba para derribar muros y fortalezas (.
5
2. Qué es una Pequeña Bomba de Ariete Hidráulico BAH 1”?
Las Bombas de Ariete Hidráulico son máquinas que elevan el agua desde un nivel inferior a uno superior
aprovechando el fenómeno hidráulico „golpe de ariete‟ que convierte la energía hidráulica (velocidad del
agua) en energía mecánica (trabajo). Las BAH 1” son de fácil construcción, operación y mantenimiento.
Sus principales características son:
- Máquina que aprovecha como única fuente de energía la caida o desnivel del agua para
operar.
- Cuida el Medio Ambiente, es barata, limpia y no contamina (no desprende calor: no necesita
de electricidad, diesel o gasolina).
- Es Ecológica: respeta el caudal ecológico (no acapara toda el agua tomando solamente parte
del fluido para operar; respetando el agua de las fuentes de recarga, plantas y animales).
- Es barata, rústica y durable (las piezas se consiguen en cualquier ferretería; la Bomba puede
durar más de 10 años2).
- Es de fácil y rápida construcción, operación, traslado y mantenimiento.
- Puede trabajar día y noche ininterrumpidamente.
- Los costos de operación son 0.
3. Usos y aplicaciones
Las BAH 1” pueden usarse para elevar agua de un río, canal de riego o vertiente hasta la parcela, los
abrevaderos (bebederos) del ganado o pequeños abastecimientos de agua de comunidades campesinas.
Los principales usos son:
- Provisionamiento de agua para pequeñas poblaciones rurales.
- Agua para consumo del ganado.
- Agua para riego.
- Prevención de sequías.
2 Datos experimentales obtenidos por la PUCP-GRUPO
6
Su aplicación abarcaría aquellos lugares donde el agua no se puede aprovechar porque se escurren aguas
abajo (Fig. 3) o en zonas donde el acceso a la electricidad es inexistente o su aprovechamiento
involucraría costos elevados para la economía campesina. Las principales aplicaciones son:
- Cualquier lugar que tenga una caída de más de 1 m. de desnivel.
- Zonas donde no hay electricidad o resulta caro operar sistemas de bombeo convencionales.
El potencial de las BAH 1” en el área agrícola es aprovechar el agua que se encuentra por debajo de las
fuentes de almacenamiento de agua de riego como quebradas y vertientes que no pueden ser
aprovechadas. En la figura 3 puede apreciarse cómo con una BAH 1” puede aprovechar el agua hacia un
estanque artesanal de riego ampliando el área cultivable, por ende, se ven favorecidos la producción
agrícola y el desarrollo local.
Figura 3 Potencial de las BAH 1” para el aprovechamiento de fuentes de agua por debajo del nivel de uso
4. Ventajas y desventajas
La principal ventaja de una BAH 1” es el bombeo sin costos, sin embargo, se pierde una parte del agua en
la válvula de derrame que acciona (válvula de pie-percutor) y generan los golpes de ariete, por
consiguiente, el caudal de descarga (q) es menor que el caudal de alimentación (Q).
Las ventajas son:
- Requiere como única fuente energética la caida o desnivel de agua.
- Es barata, limpia y accesible.
- Costos de operación son 0.
- La BAH 1” de PVC son resistentes al Golpe de Ariete que se genera dentro de ésta, opera sin
problemas (fatiga o deformación) por más de diez años (PUCP-GRUPO, 2007).
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Las desventajas son:
- Uso limitado de la Bomba por el gradiente o caida de agua.
- La altura a la que se desea bombear depende de la caida de agua.
- Bombeo por pulsación (no eleva el agua a chorro contínuo).
- Bombea poco caudal.
- Rendimientos bajos en relación a las electrobombas u motobombas.
- La eficiencia depende de la altura de elevación y la altura de alimentación (varía en un rango del
30 al 50%).
5. Partes de una BAH 1”
Los componentes de una BAH 1” (Fig. 4) pueden conseguirse en cualquier ferretería, el costo de las
mismas es económica sin que su inversión supere los 200 Bs.
A, Válvula de derrame (Check de pie 1”) [1]3
A1, Percutor (contrapeso-resorte) [1]
B, Válvula Check horizontal ½” [1]
C, Llave de paso 1” [1]
D, Acumulador [1]
E, Válvula Check de retención ½” [1]
F, Llave de paso ½” [1]
1, Niple de 1” [3]
2, Niple de ½” [3]
3, Buje reductor 1”x ½” [1]
4, Codo 90º 1” [1]
5, Tee 1” [1]
6, Tee ½” [1]
7, Buje ½”x ¾” [1]
Figura 4 Partes de una Bomba de Ariete Hidráulico 1”
3 Los corchetes hacen referencia a la cantidad de piezas necesarias para armar una BAH 1”.
8
5.1 Tubería de alimentación
Es la tubería que conecta la BAH 1” con la fuente de agua, de esta tubería depende la intensidad del
golpe y la presión de bombeo (Buchner, 2007). La unión entre la BAH 1” y la tubería de alimentación
es mediante una unión patente de 1” o directamente a la llave de paso de 1”. La longitud de la tubería
de alimentación (L) dependerá de la altura de caída (H) y de la topografía del terreno donde se instale
la BAH 1”.
5.2 Llaves de paso
Las llaves de paso tipo globo y de media vulta son, de acuerdo a la experiencia, las más adecuadas
porque permiten „regular‟ de manera efectiva el caudal en la tubería de alimentación y regular el
golpe de ariete y regular la descarga.
5.3 Accesorios
Para armar el cuerpo de la BAH 1” (Fig. 4) se requieren de los siguientes accesorios: Tees de 1” y ½”,
un codo de 90º, tres niples de 1”, tres niples de ½”, un buje reductor 1” x ½”, un buje ½” x ¾” y una
cinta de teflón de ¾”.
5.4 Válvula check de paso
La válvula check de paso (Fig. 5) tiene la función de permitir la entrada de agua hacia el acumulador
y, una vez acumulado una columna de agua suficiente, el peso del agua cierra la válvula (Fig. 6) para
„elevar‟ el agua por la tubería de descarga. La válvula de pie debe ser colocada con la flecha
indicadora hacia arriba.
Figura 5 Válvula check de paso
Figura 6 Válvula check de paso cerrada y abierta
Para un mayor rendimiento de la BAH 1” y asegurar su buen funcionamiento, es necesario perforar la
válvula check de paso antes del disco para poder asegurar la entrada de aire hacia el acumulador. La
perforación se realiza con una broca de 2.2 mm (PUCP-GRUPO, 2007). Sin embargo, en condiciones
de montaña, es conveniente que el orificio sea de menor diámetro, para ello se aconseja un orificio de
1mm. (vea Schiller, 1986).
5.5 Válvula de derrame-percutor
El percutor es la pieza clave ya que en ésta se generan los golpes de ariete con los que se proporciona
energía al sistema. El percutor consta de una válvula check de pie (Fig. 7) el cuál debe modificarse
con un vástago (perno o rosca), contrapesos y un resorte. La función de la válvula es abrir
automáticamente el flujo de agua una vez que la presión baje al valor de la presión hidrostática, por
esa razón, debe ser regulable mediante contrapesos o resortes (Urkia, I.; Urkia, S., 2003). Al respecto,
la válvula debe modificarse de tal manera que ésta opere como un percutor, para ello, se sigue el
procedimiento de desarmar la válvula:
9
Figura 7 Válvula check y sus piezas
Perforar el centro de la válvula un su cara superior en sin llegar a traspasarla para enroscar, soldar o
pegar un perno o una rosca de 15 a 20 cm de longitud (Fig. 8); el conjunto válvula y perno se
denomina biela del percutor.
Figura 8 Válvula y rosca (perno)
La guia y soporte de la biela (Fig. 9) se consigue mediante una perforación en la parte superior del
canastillo (alcachofa). Luego se coloca en su interior un resorte (si no se dispone de uno, se puede
enrollar un alambre de amarre de manera elicoidal) y se coloca entre la biela y el canastillo.
Figura 9 Válvula, biela y resorte
Finalmente, se regula el percutor (Fig. 10) mediante la oscilación del resorte a través de los
contrapesos. La experiencia indica que a mayor longitud (L) de la tubería de alimentación o a mayor
altura (H), se necesitan de más contrapesos.
Figura 10 Percutor y contrapesos
5.6 Acumulador
La función del acumulador es de transformar el flujo pulsante que sale de la BAH 1” a un flujo más
contínuo. Para evitar la disolución del aire del acumulador ya que el agua a presión tiende a absorver
más aire que en condiciones normales (Buchner, 2007). El tamaño del acumulador dependerá
principalmente de la altura de descarga (h) y de las dimensiones (longitud y diámetro) de la tubería de
descarga (PUCP-GRUPO, 2007). En la práctica, lo más conveniente, barato y accesible es utilizar una
botella de polietileno tereftálico (PET) de 2 litros como acumulador.
10
6. Funcionamiento de una BAH 1”
Las BAH 1” son máquinas que convierten la energía cinética del agua generado por una caída, en energía
mecánica para elevar un volumen de agua por una unidad de tiempo. El principio de funcionamiento se
basa en el „golpe de ariete‟ que es un fenómeno que ocurre al producirse el cierre „instantáneo‟ de la
válvula de derrame accionado por el percutor. Por lo tanto, se trata de crear golpes de ariete para que, con
la sobrepresión generada, la Bomba sea capaz de „elevar‟ un caudal (q) hacia una altura de descarga (h)
mayor que la altura de alimentación (H). El funcionamiento se describe de izquierda a derecha en la
figura 11:
El agua vence la válvula B llegando a
un nivel dado en el acumulador. La
velocidad del agua no es suficiente para
vencer la válvula A, contrapeso y percutor.
El agua del acumulador cierra la
válvula A. El agua que continúa
fluyendo vence la válvula A
derramando un chorro al aire hasta que se igualen las presiones, en ese
momento, el percutor cierra
violentamente la Válvula A generándose el golpe de ariete.
El golpe de ariete genera una
sobrepresión que vence la válvula B, el
agua contenida bajo presión en el
acumulador D elevada por la tubería de descarga. El ciclo se reinicia.
Figura 11 Ciclo de funcionamiento de una BAH 1”
7. Partes de un sistema de bombeo
Las partes de un sistema de bombeo son: i) fuente de alimentación; ii) BAH 1” y, iii) tubería de descarga.
Las partes se describen a continuación:
11
Figura 12 Sistema de bombeo
7.1 Fuente de alimentación
Finalmente la fuente de alimentación es otro factor importante. Al operar la bomba, el nivel de agua
de la fuente no debe disminuir rápidamente porque permitiría el ingreso de aire a la tubería de
alimentación ocasionando una deficiente operación de la BAH 1”. De acuerdo a la experiencia, las
aguas de vertiente de bajo caudal deben ser encausados y almacendados en estanques para recién ser
utilizados. Las aguas de canales de riego pueden aprovecharse de acuerdo a las necesidades siempre
que la velocidad del agua sea suficiente para activar la Bomba. En ambos casos, la tubería de
alimentación debe estar sumergida a unos 30 cm. por debajo de la superficie libre del agua y a unos
10 cm. por encima de la base o fondo del estanque (Fig. 12) (Azevedo y Acosta, 1976). En muchos
canales de riego, la altura de agua (tirante hidráulico) no supera los 30 cm, en ese caso, se deberá
tener cuidado de que la tubería de alimentación no esté en la base (fondo) del canal para evitar que
entre sedimento y piedrecillas que dañen las válvulas de la BAH 1”.
7.2 Bomba
La Bomba tiene la función de convertir la energía cinética del agua en trabajo mecánico para elevar el
agua de la fuente de almacenamiento hacia el punto donde se desea elevarla.
7.3 Tubería de elevación
La tubería de elevación es aquella que va desde la tubería de descarga de la bomba hasta el punto
donde se desea elevar el agua (Fig. 12). Para poder ofertar agua con una mayor velocidad, el diámetro
de la tubería de elevación debe ser menor que la tubería de alimentación y se recomienda la menor
cantidad de accesorios como uniones patente o coplas para evitar disminuir la energía del agua.
Fuente de alimentación
Bomba de Ariete
Tubería de
alimentación
Tubería de
descarga
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8. Criterios hidráulicos
La instalación de un sistema de bombeo no debe entenderse como „armar‟ las piezas y ponerla en
operación. Se requiere de una serie de cálculos sencillos pero fundamentales para determinar, a partir de
los datos de partida (ver sección 9), las características de la bomba como su rendimiento, caudal de
descarga y altura máxima de elevación o de bombeo. A continuación se detallan los criterios hidráulicos
concernientes al cálculo4:
8.1 Altura de alimentación (H [m])
La altura o salto de agua es la caída aprovechable que suministra energía para accionar la válvula que
produce el golpe de ariete. Ésta altura no debe ser inferior a 1m. El rango de las alturas varía entre 1 a
30 m. Con caídas menores a 1 m se tendrá una deficiente operación y con alturas superiores a los 30
m, el funcionamiento de la Bomba es inestable (PUCP-GRUPO, 2007) con el riesgo de desgaste de
las válvulas y el percutor de la Bomba. La medición de la altura se detalla en el anexo 1.
1m ≤ H ≤ 30 m
Ec. 1
8.2 Caudal de Alimentación (Q [l/min])
Es el caudal que proviene desde la fuente de alimentación hasta la Bomba a través de la tubería de
alimentación. El caudal mínimo para que opere satisfactoriamente una BAH 1” es de 5 l/min (0.3
m3/h) (PUCP-GRUPO, 2007). El caudal se obtiene mediante un procedimiento sencillo que consiste
en medir el volumen de agua descargado en un tiempo dado, el método se detalla en el anexo 2. Con
fines técnicos se emplea la siguiente relación:
Ec. 2
Donde:
Q = caudal de alimentación [l/min]
q= caudal de bombeo [l/min]
h = altura „real‟ de bombeo [m]
η = eficiencia [%]
H = altura de alimentación [m]
4 Para profundizar en el tema se recomienda los documentos: Bomba de Ariete Hidráulico de la PUCP-GRUPO y Procedings of a workshop on a Hydraulic Ram (Hydram) Technology de Schiller.
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8.3 Longitud de tubería de alimentación (L [m])
La longitud (L) puede variar entre 4 y 10 veces la altura de alimentación (H):
4H ≤ L ≤ 10H
Ec. 3
usualmente, con fines prácticos, su valor es:
Ec. 4
Donde:
L = longitud tubería [m]
H = Altura de alimentación [m]
8.4 Altura de elevación (h [m])
Es la altura total que debe vencer la bomba para elevar el agua. Esta altura por lo general es asumida
como la altura neta (hn), sin embargo, para un cálculo más exacto y seguro, el valor de h real se
calcula aumentando las pérdidas de energía (hf) de la tubería:
Ec. 5
Donde:
hf = pérdida de carga o energía [m]
l = longitud de la tubería de descraga [m]
Por consiguiente, la altura de bombeo es la suma de la altura neta de bombeo más las pérdidas de
carga:
Ec. 6
Donde:
h = altura „real‟ de bombeo [m]
hn = altura neta de bombeo [m]
hf = pérdida de carga o energía [m]
8.5 Caudal de descarga (q [l/min])
Es el caudal bombeado por la BAH 1” y se obtiene a partir de la Ec. 2:
Ec. 7
14
8.6 Longitud de la tubería de descarga (l [m])
Se sabe que a mayor longitud de la tubería de descarga, se tendrá más pérdida de energía, por
consiguiente, su longitud debe estar en relación con la altura a la que se desea elevar el agua y debe
tener la menor cantidad posible de accesorios como uniones.
8.7 Eficiencia ( [%])
La eficiencia se define como la relación del caudal descargado (q) a una altura (h-H) y el caudal
derramado (Q - q) a una altura (H) (Schiller, 1986):
Ec. 8
De acuerdo a la relación h/H y a la curva de la Figura 13 obtenemos el valor correspondiente de la
eficiencia.
Figura 13 Curva de Eficiencia de una BAH (tomado de la PUCP-GRUPO, 2007)
A partir de la relación h/H se obtiene la eficiencia ( ) y con estos valores se calcula el caudal de
descarga. El tipo de Bomba se determina a partir de h/H y el caudal de descarga (q) de la Figura 14:
Figura 14 Curva de selección de tipo de BAH (tomado de la PUCP-GRUPO, 2007)
15
8.8 Golpes por minuto (GPM)
El accionar del percutor se percibe a través de los golpes de la biela generados por el „golpe de ariete‟
con los que funciona la BAH 1”. Los golpes varían con la velocidad del agua, por tanto, depende de
la caída del agua. Para que una bomba opere satisfactoriamente es recomendable 1 o 2 golpes por
segundo, esta situación se consigue con la regulación de los contrapesos y resorte del percutor.
8.9 Número de bombas
Dependiende de las necesidades de bombeo se pueden requerir sistemas en serie o en paralelo. Los
sistemas en serie se emplean para adicionar energía para desplazar más caudal. Los sistemas en
paralelo adicionan energía al sistema para vencer una mayor altura del que una sola bomba pueda
ofrecer.
El número de Bombas para un sistema en serie se cálcula con la ecuación 8:
Ec. 9
El número de Bombas para un sistema en paralelo se cálcula con la ecuación 9:
Ec. 10
8.10 Potencia (P [W])
La potencia en watios (W5) que puede proporcionarnos una fuente con desnivel viene expresada por:
Ec. 11
Donde Q (en l/s) es el caudal ofertado y H (m) la altura del salto o desnivel entre la fuente de agua y
punto de medición.
La potencia de la bomba puede expresarse como:
Ec. 12
9. Criterios de selección de una BAH 1”
Para determinar el tamaño o tipo de una Bomba de Ariete con el mejor rendimiento para las
condiciones requeridas se requiere conocer los siguientes datos de partida:
5 Un Watio (W) equivale a 1.341x10-3 hp o 0.102 Kg f x m/s. Un KW equivale a 1000 W.
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H = altura de caída máxima que se puede lograr [m]
h = altura a la que se desea bombear el agua [m]
Q = caudal disponible en la fuente: acequia, río o vertiente [l/min]
q = caudal de agua que se desea bombear [l/min]
l = distancia a la que se desea bombear el agua [m]
A continuación, se ejemplifican dos casos tipo:
Solución:
Datos de partida:
H = 4 m
hneta = 14 m
Q = 2 l/s
l = 20 m
q = ¿?
1. Cálculo de hf a partir de Ec. 5 tenemos:
2. Cálculo de h a partir de Ec. 6 tenemos:
3. Cálculo de la relación h/H tenemos:
4. Cálculo de la eficiencia:
A partir de la relación h/H y la curva de eficiencia ( ) de la Fig. 13 se obtiene:
= 50% = 0.5
Ejemplo 1
Se desea conocer el caudal de descarga (q) conociendo que la caída de agua (H) es 4 m; el caudal
de alimentación (Q) 2 l/s. y se desea bombear una longitud (l) de 20 m a una altura neta de
bombeo (hn) de 14 m.
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5. El caudal de descarga (q) se obtiene a partir de Ec. 7:
6. A partir de la relación h/H y de la magnitud de q en la Figura 14 tenemos:
Se requiere de una sola BAH 1”.
Cálculos adicionales:
7. Longitud (L) máxima de la tubería de alimentación a partir de la Ec. 4:
8. Potencia (P) que proporciona la caida de agua se obtiene a partir de la Ec. 11:
9. La potencia (P) que proporciona la BAH 1” se obtiene a partir de la Ec. 12:
Datos de partida:
H = 4 m
hneta = 24 m
Q = 2 l/s
l = 40 m
q = 3.75 l/min = 0.25 l/s
Se podrá bombear una altura neta de 24 m?
Ejemplo 2
Se sabe que el caudal de descarga de una Bomba es 3.75 l/min. Se desea saber si se puede elevar el
agua a una altura neta (hn) de 24 m. y una longitud (l) de 40 m. Cuántas Bombas se requieren y
cómo será su instalación?
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1. Cálculo de hf :
2. Cálculo de h:
3. Cálculo de la relación h/H:
4. Cálculo de la eficiencia:
A partir de la relación h/H y la curva de eficiencia ( ) de la Fig. 13 se obtiene:
= 38% = 0.38
5. Con los valores anteriores se determina la altura máxima de bombeo para esas condiciones a
partir de Ec. 2:
Con las carácterísticas de una BAH y con el caudal proporcionado al sistema no se podrá
bombear la altura neta (hn) de 24 m, solo se podrán bombear 12.16 m.
6. Como se dese elevar 24 m, es decir adicionar energía para vencer una altura, se utilizará un
sistema de bombeo en paralelo, el número de bombas se calcula a partir de Ec. 10:
Para bombear agua a una altura de 24 m se requieren de dos bombas instaladas en paralelo.
19
10. Construcción de una BAH 1”
Como se ha visto, el mecanismo de funcionamiento de una BAH 1” es sencillo y su construcción obedece
literalmente a „unir‟ piezas de fontanería. A continuación se detallan los materiales y el procedimiento de
construcción:
10.1 Materiales y costo
Los materiales para armar una BAH 1” se consiguen en cualquier ferretería llegando a costar entre
160 y 188 Bs. En el cuadro 1 se detallan los costos de las mismas a enero del 2009.
MATERIALES CANTIDAD
(pieza)
COSTO UNTARIO
(Bs)
SUB TOTAL
(Bs)
TOTAL
(Bs)
Codo 90º de 1” 1 4 4
188
TEE de 1” 1 4 4
TEE de ¾” 1 3 3
BUJE REDUCCIÓN 1” x ¾” 1 3 3
BUJE REDUCCIÓN ¾” x ½ ” 1 3 3
NIPLE 1” 3 3 9
NIPLE ¾” 2 3 6
NIPLE ½ ” 1 3 3
VALVULA TIPO GLOBO 1” 1 35 35
VALVULA TIPO GLOBO 1” 1 25 25
VÁLVULA CHECK HORIZONTAL ½”
1 40 40
VÁLVULA CHECK DE PIE 1” 1 50 50
TEFLÓN ¾” 1 3 3
Tabla 1 Materiales y costos de una BAH 1”
10.2 Construcción
El proceso de construcción de una BAH 1” se detalla en los pasos de la Fig. 15. La construcción del
percutor fue abordado en la sección 5.5. Se aconseja seguir la siguiente secuencia:
1. Armar el cuerpo de la Bomba uniendo el Codo de 90º y la Tee de 1” con un niple.
2. Unir un Buje Reducción 1” x ¾”con la Válvula Check horizontal.
3. Unir la Válvula Check de pie – Percutor con un niple.
4. Unir el Acumulador (botella PET previamente roscada con una tarraja de ¾”) a un
Buje Reducción ¾” x ½”. El Buje Reducción es unido a una Tee de ½” y ésta debe
ser unida al cuerpo de la Bomba mediante un niple de ½”.
5. Unir un niple de ½” a una llave de paso de ½” y ésta a la tubería de descarga
mediante una unión patente de ½”. Las uniones deben estar en todos los casos
debidamente enteflonadas para evitar el ingreso de aire y evitar fugas.
20
Figura 15 Materiales y esquema de construcción de una BAH 1”
11. Operación y mantenimiento
Las BAH 1” son de fácil operación y mantenimiento, sin embargo, se debe tener cuidados especiales
principalmente en la operación del percutor y en el mantenimiento de las válvulas; a continuación se
detallan dichos aspectos:
11.1 Puesta en operación
Las BAH 1” para operar satisfactoriamente requiere que la tubería de alimentación esté
completamente llena y sin aire (evitando la entrada de aire por las fugas y/o uniones mál hechas). A
nivel del percutor se requiere que esté debidamente calibrado mediante contrapesos para generar los
golpes de ariete. Para una adecuada operación se propone:
a. Tubería de alimentación
La tubería de alimentación (Fig. 12) debe cumplir los siguientes requisitos para una operación
óptima de la BAH 1”:
- La diferencia de nivel o caída aprovechable (H) para accionar la BAH 1” no deberá ser
inferior a 1 m.
- La tubería de alimentación debe ser lo más rectilínea posible y debe tener un diámetro mayor
que la tubería de descarga.
- Debe tener la menor cantidad de uniones (coplas o uniones patente) con la finalidad de evitar
fugas y pérdidas de energía (hf).
- La toma de la tubería de alimentación debe estar sumergida por lo menos 0.3 m por debajo
del nivel del agua y 0.1 m por encima del fondo.
21
b. Sifonamiento de la tubería de alimentación
Consiste en llenar de agua la tubería de descarga (no succionar con la boca). Para ello, la
tubería más corta se tapa con la mano y se empuja con movimientos oscilatorios hasta llenarla
de agua y una vez llena y fluyendo el agua, se conecta con el resto de la tubería. Para evitar el
contínuo sifonamiento, se recomienda emplear una llave de paso para conectar a la BAH 1”.
c. Manejo de llaves de paso
El tipo de llaves de paso tipo globo de media vuelta son las adecuadas puesto que permiten un
rápido cierre.
d. Accionamiento y ajuste del percutor
Una vez instalado el ariete, se varía el recorrido del eje subiendo o bajando el contrapeso y el
peso de éste hasta que al abrir la llave de paso y subir y bajar el eje con la mano varias veces el
ariete se estabilice a un ritmo de 1 a 2 golpes por segundo. Se sabe que a mayor altura de
alimentación (H) se tendrá mayor energía del agua, por consiguiente, mayor cantidad de golpes
del percutor. El rango adecuado del accionamiento del percutor para la generación de golpes de
ariete es de 1 a 30 m.
e. Descarga
La experiencia recomienda que la tubería de descarga que conecta con la bomba, deberá tener
instalada una válvula de retención horizontal de plástico con la finalidad de reducir el esfuerzo
y retroceso del agua de la bomba.
11.2 Mantenimiento
Las BAH 1” son máquinas rústicas, de fácil mantenimiento. Para mantener el aire en el acumulador,
se recomienda vaciar su contenido abriendo las llaves de paso antes de ponerla en operación. Se
recomienda hacer limpiezas preventivas de las válvulas una vez por mes desenroscando la canastilla
de la válvula check de pie, se retira la válvula y se deja fluir el agua abriendo la llave de paso para
dejar pasar las impurezas; se recomienda abrir la llave de paso unas dos o tres veces para permitir
limiar la valvula check horizontal. En caso de que persistan las impurezas en ésta, será necesario
desenroscar la válvula de los niples y realizar la limpieza con los dedos de la mano moviendo (de
manera oscilante) la válvula.
22
12. Revisión bibliográfica
Arancibia, G.; Navarro, C. (2006) “Bombeo de agua sin costos” Energía mini-hidráulica, Agua y procesos:
Generación de Energías Alternativas (GEA)-Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Santa María,
Chile. p. 2-9.
Azevedo, J.; Acosta, G. (1976) “Manual de Hidráulica”, Ed. Harla, México, p. 274-275, 292-302.
Buchner, W. (2007) “Agua para todos: Selección de tecnologías apropiadas para vivir mejor”, EMAS, La Paz,
Bolivia. p. 19-22.
Carnicier, E.; Mainar, C. (2003) “Instalaciones Hidrosanitarias, Fontanería y Saneamiento”, Thompson-Paraninfo,
Madrid, España. p. 52-53.
Comisión de las Comunidades Europeas (1998) “Manual de pequeña hidráulica”, Dirección general de energía:
European Small Hydropower Association, Bruselas, Bélgica. p. 41-44.
Gieck, K.; Gieck, R. (2003) “Manual de Fórmulas Técnicas”, Alfa-Omega, Colombia, p. A6-A9, C2.
Jímenez, J. “El ariete hidráulico” (s.f.) Taller de Investigación Alternativa, Fundación Terra. España. p. 1-4.
Jordan, T. (1988) “Sistemas de agua potable por gravedad para poblaciones rurales” ITDG, Lima, Perú. p. 183-185.
PUCP-Grupo de Apoyo al Sector Rural (s.f.) “Bomba de Ariete Hidráulico”, Pontificia Universidad Católica del
Perú, Lima, Perú. p. 1-34.
PUCP-Grupo de Apoyo al Sector Rural (2007) “Construcción de una Bomba de Ariete de PVC de una pulgada”
Tema 5, Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú. p. 1-9.
PUCP-Grupo de Apoyo al Sector Rural (2007) “Criterios para la selección de una Bomba de Ariete y Costos
Comparativos” Tema 3, Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Perú. p. 1-11.
PUCP-Grupo de Apoyo al Sector Rural (2007) “Funcionamiento de la Bomba de Ariete” Tema 2, Pontificia
Universidad Católica del Perú, Lima, Perú. p. 1-4.
PUCP-Grupo de Apoyo al Sector Rural (2007) “Instalación y Mantenimiento” Tema 6, Pontificia Universidad
Católica del Perú, Lima, Perú. p. 1-6.
Schiller, E. (1986) “Procedings of a workshop on Hydraulic Ram Pump (Hydram) Technology” IDRC, Tanzania. p.
14, 17.
Urkia, I.; Urkia, S. (2003) “Energía Renovable Práctica”, Editorial Pamiela. Navarra, España. p. 54-55,72-75.
23
13. Anexos y tablas
24
Anexo 1 Medición de la altura de alimentación (H)
2 Métodos de medición
Existen diversas formas de medir el desnivel o caída de agua, los más importantes se detallan a
continuación:
2.1 Nivel de albañil
Consiste en medir la altura vertical e una caída a partir de herramientas sencillas: i) nivel de albañil, ii)
palo y tablón, iii) escala o flexómetro. El procedimiento es simple: Se coloca un palo lo más vertical y
encima, se coloca un tablón y sobre él, un nivel de albañil, una vez nivelado, se mide el intervalo vertical
con un flexómetro y se registra en una planilla. El método es simple pero toma mucho tiempo si se trata
de grandes distancias.
2.2 El método del manómetro
La metodología de la “manguera y manómetro” por su simplicidad y por su exactitud puede utilizarse en
caídas altas o bajas. El procedimiento consiste en fijar un extremo de la manguera al nivel de la parte
superior del salto, llenar la manguera con agua y conectar el manómetro en la parte inferior para obtener
su lectura. Si no se dispone de una manguera lo suficientemente larga como para abarcar la altura total del
salto, se dispone a sumar las alturas. (Arancibia y Navarro, 2007). El procedimiento es como sigue:
25
P = h (Presión Manométrica)
h = P / (Altura de Presión)
donde:
h = Altura de Presión (m)
P = Presión Manométrica (leída en el
manómetro)
= Peso específico del agua
(1000 Kg/m3)
bar Kg/m2 mca
0,25 2548,42 2,5
Donde, la altura de alimentación es:
H = 2.5 m
2.3 GPS
El empleo de Equipos de Posicionamiento Global (GPS) son cada vez más empleados; se requiere
„conectarse‟ con la señal de los satélites y tener una lectura de un punto superior y uno inferior para tener
la altura que se desea obtener. Sin embargo, disponer de un aparato GPS no es todavía accesible.
26
Anexo 2 Aforo Volumétrico: Medición de caudal (Q)
1 Introducción
La medida de caudales de vertientes, riachuelos y
pequeños flujos en zonas de montaña se está
convirtiendo en una necesidad para agricultores,
dirigentes de organizaciones de riego y comités de
agua potable. Ante tal demanda y, en ausencia de un
método de fácil empleo y de considerable precisión.
Dada su sencillez en los parámetros de cálculo, su
construcción y aplicación, la metodología de aforo
es ideal para ser empleada por cualquier persona.
2 Materiales
Los materiales para el aforador son accesibles, duraderos y se encuentran en los mercados locales. Se
requiere de una inversión de 87 Bs (11 USD). No obstante, se puede prescindir del nivel de albañil, del
cronómetro si se dispone un reloj con dicha función.
CONCEPTO MATERIAL COSTO BS COSTO USD
VOLUMEN TACHO 50 LITROS 40 5,1
HUINCHA 1m 3 0,4
PEGAMENTO 5 0,6
CONDUCCIÓN TUBO PVC 4 PULGADAS 50 cm. 10 1,3
TIEMPO CRONÓMETRO 15 1,9
REGISTRO LIBRETA NOTAS 4 0,5
CÁLCULO CALCULADORAS DE BOLSILLO 10 1,3
NIVEL* NIVEL DE ALBAÑÍL 10 1,3
TOTAL 87 11,1
*De acuerdo a la destreza, podría prescindirse.
3 Procedimiento de medición
En un recipiente, con una escala graduada (g) en la que se indican debidamente diferenciados por colores
los volúmenes recibidos en un tiempo (t) como se muestra en la figura:
27
El procedimiento de cálculo es sencillo y es conocido como “aforo volumétrico” porque mide el Volumen
(V) recogido en el tacho en un tiempo (t) viendo la escala:
ESCALA
G [cm] V litros
14,50 10
14,00 10
13,50 9
13,00 9
12,50 9
12,00 8
11,50 8
11,00 7
10,50 7
10,00 7
9,50 6
9,00 6
Los valores se registran en una planilla:
VOLÚMEN MEDIDO
(V) [litro]
TIEMPO
(t) [s]
CAUDAL
(Q) [I/s]
1 5 20 0.25
2 6 21 0.29
3 5 20 0.25
4 7 26 0.27
5 2 19 0.11
PROMEDIO 0.26
El caudal se obtiene de dividir el volumen (V) recibido entre el tiempo (t):
Q = V/t
Después de calcular los valores de caudal, notamos que las medidas 2, y 5 se alejan los demás valores.
Para evitar errores, es mejor eliminar dichos medidas.
10
8
6
28
Finalmente, es importante calcular el valor promedio. Para ello, una vez concluida la evaluación y,
desechando los valores que se alejan de los que se repiten (moda). Se procede a sumar y dividir entre el
número de sumandos. Por ejemplo:
Promedio = (0.25 + 0.29 + 0.25)/3 = 0.26
4 Construcción
La única dificultad en la construcción del aforador radica en la escala de volúmenes (G) recibidos en un
tiempo (t) de descarga. En ese sentido, se propone un procedimiento sencillo de cálculo.
5 Escala de medición
La única dificultad del método es contar con una escala debidamente graduada. De acuerdo a la forma
comercial de los recipientes conocidos como “tachos” que tienen la forma de un cono trunco, se propone
el cálculo de la escala a partir de las fórmulas:
V = volumen del recipiente [m3]
H = altura del recipiente [m]
D = diámetro mayor [m]
d = diámetro menor [m]
G = altura inclinada [m]
29
Teniendo un recipiente de secciones conocidas H, G, D y d. Se calculan las alturas equivalentes al
volumen por cada litro de volumen vertido en el recipiente mediante una escala g1, g2, … gn.
Para un cálculo más directo, se propone una hoja de cálculo (MS EXCEL) que en base a iteraciones
obtiene la escala graduada.
6 Recomendaciones
Los laterales de tacho no deben tener formas discontinuas como la figura:
El tacho debe ser sólido, resistente y de colores claros para poder visualizar los colores y números de la
escala.
La escala (huincha) debe ser en lo posible de color blanco o de colores claros para poder pintar con
marcadores indelebles la escala.
El pegamento deberá garantizar que la escala no se „despegue‟ de su lugar.
La escala deberá estar bien alineada, si esta chueca o mal pegada, los volúmenes leídos no serán los
correctos.
30
Anexo 3 Relaciones hidráulicas importantes de una BAH
Las alturas de alimentación (H) más comunes son 1, 2 y 3 m. En las tablas se muestran las relaciones que
hacen al comportamiento hidráulico de las BAH 1”:
H1 = 3 m
Altura de
Bombeo (h)
[m]
Caudal de
alimentación
(Q) [l/min]
Caudal de
bombeo (q)
[l/min]
Caudal de
derrame
(Q - q) [l/min]
Caudal de
aire (qo)
[l/min]
Eficiencia (n)
[%]
Golpes por
minuto
(GPM)
6 17.55 6.1 10.3 1.15 65.2 65
8 14.72 3.75 9.92 1.05 63.7 68
10 12.45 2.35 9.1 1 59 70
17 10.125 0.625 8.7 0.8 32.8 76
26 8.2 0 7.6 0.6 0 76
H1 = 2 m
Altura de
Bombeo (h)
[m]
Caudal de
alimentación
(Q) [l/min]
Caudal de
bombeo (q)
[l/min]
Caudal de
derrame
(Q - q) [l/min]
Caudal de
aire (qo)
[l/min]
Eficiencia (n)
[%]
Golpes por
minuto
(GPM)
6 14.92 3.3 10.8 0.82 66.4 48
8.5 11.6 1.5 9.4 0.7 55 49
14 10.27 0.42 9.25 0.6 28.6 50
18 8.5 0 8 0.5 0 51
H1 = 1 m
Altura de
Bombeo (h)
[m]
Caudal de
alimentación
(Q) [l/min]
Caudal de
bombeo (q)
[l/min]
Caudal de
derrame
(Q - q) [l/min]
Caudal de
aire (qo)
[l/min]
Eficiencia (n)
[%]
Golpes por
minuto
(GPM)
3.5 18.43 2 16 0.43 38 21
5 15.47 1.05 14 0.42 33.9 22
15 12.98 0 12.6 0.38 0 25 Tomado de PUCP-GRUPO, 2007
31
Anexo 4 Pérdidas de carga en tuberías de PVC y PE
32
Anexo 5 Unidades
Longitud
1m = 100 cm
1cm = 10 mm
1 pulgada (inch) = 2.54 cm
1 pie (ft) = 12 inch.
Volumen
1 litro = 1000 cc
1 m3 = 1000 l
Masa
1 Kg = 1000 gr.
lb = 0.454 Kg
Tiempo
1 hr = 60 min
3600 s
1 min = 60 s
Presión
1 PSI = 703.07 Kg/m2
1 Bar = 10.2 m.c.a.
Pa = 1 N/m2
Potencia
1KW = 1000 W
1W = 1.36 x 10-3
CV
1CV = 736 W
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Anexo 6 Consideraciones para la elección de fuentes de energía
FACTORES CRITERIOS DE SELECCIÓN INFORMACIÓN REQUERIDA
Factibilidad ambiental Disponibilidad de energía Datos de fuentes de energía
Hidrología
Clima
Topografía
Factibilida técnica Nivel existente de
infraestructura
Diseño
Fabricación
Instalación
Operación
Mantenimiento
Factibilidad Social Aceptabilidad social de la
fuente de energía
Equipo de Bombeo
Estructura Social
Organización
Potencial para el uso productivo
del agua
Deseo y capacidad de pago
Factibilidad Económica Efectividad en costos de
sistemas de energía
Datos de costos
Perfiles de costos en el tiempo
Economía de escala
Fabricación local