TITULO:

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN PROTOTIPO DE ARIETE HIDRULICO PARA CAPTAR, TRASLADAR Y ELEVAR EL AGUA DEL MANANTIAL LA SHICUANA HACIA UN RESERVORIO UBICADO EN LA PARTE ALTA DE LA COMUNIDAD CHAMIS BAJO CAJAMARCA

INDICE

1. INTRODUCCION2. OBJETIVOS

3. HIPOTESIS

4. VARIABLES

5. JUSTIFICACION

6. MARCO TEORICO

7. TECNICAS, PROCEDIMIENTOS E INSTRUMENTOS

8. CONCLUISONES9. RECOMENDACIONES

10. ANEXOS

11. BIBLIOGRAFIA1. INTRODUCCINLos arietes hidrulicos, son uno de los tipos de bomba de agua que funcionan aprovechando la energa hidrulica, sin requerir otra energa externa. Mediante este principio, se puede conseguir elevar parte del agua de un manantial, arroyo o acequia a una altura superior.

La bomba de ariete hidrulico se ha utilizado durante ms de dos siglos en muchas partes del mundo, la sencillez y fiabilidad hizo un xito comercial, especialmente en Europa, en los das previos a la corriente elctrica y al motor de combustin interna con una amplia disponibilidad.

En las zonas montaosas y agrestes con presencia de manantiales o arroyos como en el caso de la comunidad de Chamis Bajo, la posibilidad de un dispositivo simple y confiable de bombeo es de gran aplicacin, razn por la cual decidimos construir un prototipo de ariete hidrulico, teniendo en cuenta la geografa de la zona, para brindar una alternativa para que puedan ser adaptadas en su medio a futuro.2. OBJETIVOS2.1. OBJETIVO GENERAL

Describir los requerimientos fsicos y tcnicos que se necesitan para trasladar el agua desde el manantial La Shicuana, para la construccin de un prototipo de Ariete Hidrulico para la simulacin de captacin traslado y elevacin de agua.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

Identificar los requerimientos fsicos para el diseo y construccin de un prototipo de ariete hidrulico para captar, trasladar y elevar el agua del manantial la shicuana.

Identificar los requerimientos tcnicos para el diseo y construccin de un prototipo de ariete hidrulico para captar, trasladar y elevar el agua del manantial la shicuana.3. HIPTESISEl prototipo de Ariete Hidrulico cumple con los requerimientos fsicos y tcnicos que se necesitan para trasladar el agua desde el manantial La Shicuana hacia un reservorio ubicado en la parte alta de la comunidad de Chamis bajo.4. VARIABLES4.1 INDEPENDIENTES CAUDAL DE ALIMENACIN (Q) PENDIENTE ALTURA DE SUMINISTRO (h)4.2 DEPENDIENTES ALTURA DE ELEVACIN (H) CAUDAL ELEVADO (q)

RENDIMIENTO(R)

5. JUSTIFICACINEste proyecto se realiza porque representa una solucin para una adecuada captacin, traslado y elevacin de agua del manantial La Shicuana hacia un reservorio, mediante el uso de una bomba de Ariete Hidrulico, el cual resulta econmico y viable, beneficiando a una gran parte de la poblacin de Chamis Bajo, ya que actualmente el traslado del agua es ineficiente. 6. MARCO TEORICO6.1. ANTECEDENTES

Durante los 2 siglos pasados los arietes se utilizaron ampliamente, y se han instalado mundialmente para proyectos de irrigacin, aldeas, huertos, residencias y palacios, como en el caso de Las bombas de ariete instaladas en la famosa fuente frente al Palacio de TAJ MAHAL, en India que suministra 2,727 m3/da.El principio de funcionamiento fue documentado en 1775, resultado de una reparacin realizada por un fontanero en Bristol, Inglaterra, que aprovecho ingeniosamente elevar el agua, casi sin ningn costo, del stano a las plantas superiores; otro ingls interpuso un vaso de aire, entre el grifo y la caera, para elevar agua a una fbrica de cerveza, pero la vibracin y el ruido, impedan el uso de esta mquina, que adems era manual.La primera bomba de ariete autoactivante fue inventada por Joseph Montgolfier, uno de los dos famosos hermanos franceses que tambin inventaron el globo de aire caliente; le dio el nombre de "coup de belier" (golpe de carnero). El 02 de octubre de 1820 la patente de la bomba fue asignada a Josiah Easton de Heal de Inglaterra, quien la volvi a disear y comenz su fabricacin comercial. Una de sus bombas originales permaneci en uso desde 1840 hasta 1936 (96 aos), fecha que fue adquirida por el Museo de Ciencias de South Kensington de Londres. En 1860 el ingeniero John Blake, registr el nombre de "hydram", y comenz su fabricacin en el condado de Lancashire en Inglaterra tratando de mejorar su diseo.En Chile se hizo un modelo por computadora, pero la eficiencia es muy baja (7%). En el Per mediante el sistema de hacer un modelo y trabajar con datos eales, y resolver como si fuera un problema de flujo en tuberas de Fe. y P.V.C, se estn diseando y fabricando nuevos modelos mas eficientes (60%), para bajar costos y ponerlos al alcance del agricultor.

6.2. BASES TERICAS

Qu es el golpe de ariete?

La Fsica reconoce el fenmeno denominado golpe de ariete o choque hidrulico, que ocurre cuando vara bruscamente la presin de un fluido dentro de una tubera, motivado por el cierre o abertura de una llave, grifo o vlvula; tambin puede producirse por la puesta en marcha o detencin de un motor o bomba hidrulica. Durante la fluctuacin brusca de la presin el lquido fluye a lo largo de la tubera a una velocidad definida como de propagacin de la onda de choque. El cambio de presin provoca deformaciones elsticas en el lquido y en las paredes de la tubera. Este fenmeno se considera indeseable porque causa frecuentes roturas en las redes hidrulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y tambin es causante de los sonidos caractersticos que escuchamos en las tuberas cuando abrimos un grifo bruscamente en nuestras casas. Por tal razn, con frecuencia se disean vlvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad. El cientfico ruso N. Zhukovski (1847-1921) estudi este fenmeno por primera vez en su obra Sobre el choque hidrulico, como parte de sus indagacin es hidroaeromecnicas, que constituyeron la base terica para la ulterior comprensin del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o ariete hidrulico, lo que demuestra que los fenmenos fsicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armnica actuacin del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano. El uso de tecnologas alternativas como es implementar los sistemas de ariete hidrulico, cuya mquina de auto operacin utiliza como fuente de energa, el agua y esta la bombea desde un nivel ms bajo a una determinada altura, donde dicha agua adquiere una energa potencial que permite su uso para diversos fines tales como: irrigacin de cultivos, etc.Los fontaneros conocen muy bien el golpe de ariete; cuando se cierra bruscamente un circuito abierto de agua, toda la tubera se estremece y los manmetros enloquecen, a menudo se producen roturas por esta causa.

Qu es el ariete hidrulico?

La bomba de golpe de ariete o ariete hidrulico es un motor hidrulico que utiliza la energa de una cantidad de lquido (comnmente agua) situada a una altura mayor (el desnivel de un ro, presa, acequia u otro depsito o caudal), con el objetivo de elevar una porcin de esa cantidad de lquido hasta una altura mayor que la inicial, mediante el empleo del fenmeno fsico conocido como golpe de ariete. El equipo bombea un flujo continuo y funciona ininterrumpidamente sin necesidad de otra fuente de energa, tambin puede compararse con un transformador elctrico, ya que ste recibe una tensin baja (en voltios) con una corriente elctrica relativamente alta (en amperios) y obtiene un rgimen de mayor tensin y menor amperaje, y en el caso del ariete ocurre un proceso similar a nivel hidrulico: recibe un gran caudal (Q + q) con una baja carga (H) y obtiene un rgimen de mayor presin (h) con un menor caudal (q), entonces se crea una fuerte presin, al detenerse el agua bruscamente. Este golpe de presin abre la vlvula (B) y hace pasar un pequeo chorro de agua al depsito (C), hasta que se equilibran las presiones, en ese momento, la gravedad abre la vlvula (A) y se cierra la (B), repitindose de nuevo el ciclo. El agua, a cada golpe de aire hace fluir el agua, con continuidad, por la manguera de elevacin, el ritmo de golpes por segundo suele ser de uno o dos. El ariete hidrulico es una mquina que provoca continuos cierres bruscos de un circuito con agua en aceleracin y que aprovecha las sobrepresiones para mandar parte del caudal a una gran altura.

En el esquema se muestran los elementos esenciales para el funcionamiento del ariete hidrulico, que son:- La presa, un ro o cualquier otro medio que permite crear un desnivel en relacin con el ariete.

El tubo de impulso. Segn las reglas convencionales debe tener un largo entre100 y 500 veces el dimetro del tubo, y un mnimo de 2 y hasta 7 veces la altura de la presa, segn el tipo de ariete.

La vlvula de impulso con su cmara, que segn las mismas reglas, debe tener como mnimo el doble del dimetro del tubo de impulso.- La vlvula de retencin, la cual generalmente es la mitad del dimetro de la vlvula anterior, depende en primer lugar del caudal de bombeo y la frecuencia delos golpes.

Cmara de aire, se encuentra encima de la vlvula de retencin , esta debe tener un mnimo de 10 veces el volumen del agua que entra por golpe.

Tubo de bombeo, generalmente de la mitad del dimetro del tubo de impulso, aunque es ms lgico determinarlo segn el caudal de bombeo, el largo del tubo y la potencia disponible.Por otro lado, para que el ariete funcione, debe haber un desnivel mnimo de un metro de altura entre la toma de agua y la entrada del ariete. Cuando hay una cada natural de agua es muy simple la instalacin. El rendimiento del ariete hidrulico representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relacin al total de la canalizada por el ariete, y vara en funcin del cociente H/h. Al aumentar el valor resultante, el rendimiento disminuye. Hay que tener en cuenta que el agua que se acelera en el tubo de alimentacin, es la que provoca el golpe de ariete, por lo que este ha de tener una longitud, inclinacin y dimetro adecuados, sin curvas ni estrechamientos que provoquen prdidas de carga por rozamiento. Una vez instalado el ariete, se vara el recorrido del eje subiendo bajando el contrapeso y el peso de este hasta que al abrir la llave de paso y subir y bajar el eje de la mano varias veces el ariete estabilice a un ritmo de 1 a 2 golpes por segundo. Cuando un ariete es bien construido y debidamente instalado el mantenimiento es mnimo. Para facilitar las labores de limpieza es aconsejable ensamblar las partes aisladas mediante uniones desmontables. Las partes que deben chequearse generalmente son: vlvula de impulso el impulso, la vlvula de descarga, tuercas y tornillos que pueden aflojarse y destruirse producto de la corrosin, limpiar el filtro y regular la vlvula de aire.

ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DEL ARIETE HIDRULICO7. TECNICAS, PROCEDIMIENTOS E INSTRUMENTOS7.1. PROCESO DE CONSTRUCCION7.1.1. INSUMOSCANTIDADDESCRIPCINPERFIL

1Vlvula check de paso de 1 (anti-retorno)

1Vlvula check de fondo de 1

1Reduccin tipo campana de 1 a

5Niple de PVC de 1x1

1Niple de PVC de 1x2

2Niple de PVC de 1/2x1

2Tee de PVC de 1

CANTIDADDESCRIPCINPERFIL

1Bushin de 1 a

1Codo de PVC de 1

1Vlvula de paso de PVC de 1

1Vlvula de paso de PVC de 1/2

1 Tubo de PVC de 1

4Cinta tefln

1Baldn

1Manguera

1Estructura de soporte

7.1.2. COSTE DE INSUMOS

CANTIDADDESCRIPCINPRECIO (nuevos soles)

1Vlvula check de paso de 1 (anti-retorno)55.00

1Vlvula check de fondo de 129.60

1Reduccin tipo campana de 1 a 4.50

5Niple de PVC de 1x1 10.00

1Niple de PVC de 1x23.00

2Niple de PVC de 1/2x12.00

2Tee de PVC de 17.00

1Bushin de 1 a 4.00

1Codo de PVC de 13.50

1Vlvula de paso de PVC de 112.00

1Vlvula de paso de PVC de 1/28.00

1 Tubo de PVC de 114.50

4Cinta tefln4.00

1Baldn de 60 L35.00

1Manguera

1Estructura de soporte90.00

7.1.3. EMSAMBLAJE

7.2.4. INSTALACIN Y FUNCIONAMIENTO7.2. RECOLECCIN DE INFORMACIN

TIEMPOS PARA DETERMINAR EL CAUDAL (EN SEGUNDOS)

FASESTUBERA 1TUBERA 2TUBERA 3

12.673.465.52

2.753.275.48

2.783.595.08

23.193.245.41

3.193.435.53

3.153.775.58

32.973.635.38

2.843.205.63

2.903.475.38

43.103.155.70

3.203.305.53

2.953.155.54

53.543.256.00

3.443.476.13

3.313.316.03

62.643.376.19

2.583.346.03

2.633.536.97

TIEMPOS PROMEDIADOS(EN SEGUNDOS)

FASESTUBERA 1TUBERA 2TUBERA 3

12.733.445.36

23.183.485.51

32.903.435.46

43.103.205.59

53.433.346.10

62.633.416.10

MEDIO2.993.385.35

PROMEDIO FINAL3.91

NOTA: Los tiempos tomados en la tubera 1 y 3 fueron tomados en un balde de 2L, el tiempo de la tubera 2 fue tomado en un balde de 4L. si promediamos los litros obtendramos un valor de 2.67L. Luego para obtener el caudal dividimos el promedio de litros entre el promedio final de los tiempos.

7.3. ANALISIS Y PROCESAMIENTO DE INFORMACIN

En nuestro proyecto utilizaremos un cilindro de 0.40m de dimetro y 0.48 de profundidad, este descansara en una plataforma de 1.50m de altura. Para realizar algunos clculos se proceder hacer un hoyo en un costado del cilindro a 5 cm del fondo de este, que servir para ubicar la tubera de 1 pulgada. Luego en el cilindro se introducir agua hasta una altura de 0.35m, y se obtendr una altura de 0.30m de la tubera hacia el nivel del agua, con estos datos obtendremos el caudal de salida hacia la tubera.

Teorema de Torricelli.

Ecuacin de Continuidad.

Como no existe aumento ni prdida de masa se tiene: El mismo fluido es homogneo: , Donde el producto: Q: se le llama gasto, caudal, flujo de volumen o rapidez de flujo.

La presin en 1 como en 2 es la atmosfrica, y V1 = 0, puesto que la relacin entre rea del tanque y del orificio permite despreciarlo a travs de esta ecuacin.

Note que:

Entonces la velocidad en 2 ser 251.4 veces mayor que la velocidad en 1.

Luego para calcular el caudal usaremos la ecuacin:

Dnde:

D=dimetro de tubera (m)

Q= caudal

Caudal elevado (q)

R: rendimiento

Q: caudal

h: desnivel de trabajo

H: altura de elevacin

Para H=2

Para H=4

Para H= 5

Para H=18

8. CONCLUSIONES9. RECOMENDACIONES 10. ANEXOS

11. BIBLIOGRAFIAVARIABLES INDEPENDIENTES Y DEPENDIENTES