Informe_3_Hidraulicaa. - U

Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Laboratorio de Fluidodinámica y Procesos
INFORME DE LABORATORIO N°3
Bomba de ariete hidráulico
CI4101 – Hidráulica
Nota Informe Preliminar:
Nota Informe Final:
Sección:
01
Nombres:
Daniel Carvajal
Nicolás Escobar
Gonzalo Molina
Ayudante encargado:
Rodrigo Zamorano
Fecha de realización:
Fecha de entrega:
9 de Octubre de 2012
16 de Octubre de 2012
Observaciones:
Índice
Introducción .................................................................................................................................... 3
Objetivos ......................................................................................................................................... 3
Metodología .................................................................................................................................... 4
Cálculos y resultados ....................................................................................................................... 6
Conclusiones y análisis de resultados ........................................................................................... 13
Introducción
Las bombas son piezas de ingeniería diseñadas para elevar aguas. Se sabe que el efecto de
las bombas se cuantifica como un trabajo externo ejercido sobre el sistema termodinámico, que
queda descrito por una potencia entregada al sistema, de manera que al plantear la altura de
energía, Bernoulli, entre los puntos aguas arriba y debajo de la bomba se tiene que la energía es
mayor aguas debajo de la bomba, que aguas arriba de ésta.
Ahora bien, esto en la actualidad es muy conocido. Sin embargo, el hombre dentro de la
historia ha tenido que abastecerse de técnicas y conocimientos para superar las dificultades y/o
necesidades que le presenta tanto la naturaleza y el desarrollo.
El suministro de agua ha sido tradicionalmente unos de los principales problemas
asociados a las actividades productivas agrícolas, pecuarias e incluso sociales. La infraestructura
necesaria para la conducción del líquido siempre implica altos costos iniciales además de los
consabidos costos energéticos permanentes que implica el uso de bombas.
En 1797, Joseph Montgolfier, crea la bomba de ariete hidráulico, que funciona elevando
agua, pero esta vez sin un trabajo externo (caso de bombas) sino que mediante el
aprovechamiento de la energía del flujo con un régimen impermanente que produce la condición
de borde de cierre y apertura brusca de válvula, generando una condición del flujo en un alza en
la presión que es aprovechada para elevar agua.
Para que se entienda teóricamente el cierre de la válvula genera una disminución en la
velocidad del flujo y un aumento en la presión que se propaga aguas arriba. Esta alza en la presión
depende del tiempo de cierre de la válvula (que determina finalmente la magnitud de la
sobrepresión), la velocidad de la onda de presión, la velocidad inicial de flujo y la longitud de la
tubería.
Objetivos
El objetivo de este informe de laboratorio, es entender el funcionamiento de la bomba de
ariete hidráulico mediante la explicación teórica y la influencia que tiene el régimen
impermanente del agua en este caso frente al cierre brusco de la válvula. Para esto se observa y
analiza también el rendimiento que tiene este tipo de elevamiento de agua en relación a la
potencia del caudal que eleva, y el caudal total disponible. También es posible cuantificar la
importancia que tiene la frecuencia de cierre de la válvula en el funcionamiento del sistema.
Metodología
Figura 1. Montaje experimental del ariete hidráulico.
En la Figura 1. Se observa el montaje experimental dispuesto para el experimento. La
instalación consta de dos recipientes que muestran las alturas de trabajo (3) y elevación del
sistema (13). Entonces, el inicio de la experiencia comienza al dar un caudal Qt al sistema que hace
ingreso por una tubería (1), y que se puede regular previo a su ingreso en el recipiente (3)
mediante una válvula en (2). La altura en este recipiente se denomina altura de trabajo y es
necesaria para generar un flujo que va desde el recipiente hacia un bloque de válvulas en (8),
donde este caudal también puede ser regulado con una válvula en (7). Este bloque de válvulas
define el comportamiento del ariete hidráulico. En (9) se encuentra la válvula de impulsos con
contrapeso, esta responde frente a la variación de la velocidad del flujo, permitiendo el paso de
agua a baja velocidad, y una vez que ésta aumenta su velocidad se cierra bruscamente generando
una aumento de presión en la tubería y también una pérdida de agua que se mide como un caudal
residual, Qresidual. Es entonces donde gracias a esta alza de presión se abre un la válvula de bisagra
de goma en (10), que sólo permite el paso de agua y no la vuelta (detalle importante). Una vez que
el agua pasa por la válvula, ésta hace su ingreso en una cámara con aire en su interior que sirve
para amortiguar el golpe de ariete, y cierra la válvula en (10). El agua al tener impedido su flujo
hacia aguas arriba, continúa su flujo por la tubería (12) hacia un segundo recipiente (13) donde se
controla la altura de elevación del agua gracias a un desagüe en (14) que permite medir el caudal
impulsado por la bomba de ariete hidráulico.
Este es el montaje experimental y las funciones del dispositivo para realizar el
experimento que para su realización, se varían tres parámetros. Entonces se proponen tres
experiencias:



Se varía la frecuencia, mediante el cambio en los contrapesos de la válvula de
impulsos.
Se varía la altura de elevación en (14).
Se varía el caudal total que se impone en el sistema.
Como observación, se tiene que al variar cada uno de estos parámetros se hace
independiente de los otros casos, es decir, que al variar, por ejemplo, la frecuencia, la altura de
elevación en (14) se mantiene constante.
Gracias a estas experiencias se puede obtener la eficiencia con que actúa la bomba de
ariete hidráulico, mediante las siguientes relaciones:
𝜂=
𝑃𝑎𝑝
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝
𝑃𝑎𝑝 = 𝛾𝑄𝑏 Δℎ
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 = 𝛾𝑄𝑡 ℎ1
𝜂=
𝑄𝑏 Δℎ
𝑄𝑡 ℎ1
Cálculos y resultados
En laboratorio se obtuvieron los siguientes datos:

Caso 1: Se varía la frecuencia de la válvula de impulsos (variando el peso dado por el
número de tuercas situadas en su parte superior).
Tuercas
[𝑁°𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/𝑠]
𝑓
ℎ1 [m]
ℎ2 [m]
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 [mL/s]
𝑄𝑏 [mL/s]
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 [mL/s]
n
2
1,982
0,895
1,042
101,421
30,080
131,502
0,037
3
2,064
0,895
1,042
118,421
30,366
148,788
0,033
5
1,595
0,895
1,042
111,025
25,083
136,108
0,030
Tabla 1. Frecuencia variable, ∆H fijo.

Caso 2: ∆H variable (Dado por una variación de 𝐻2 ).
Tuercas
𝑓 [𝑁°𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/𝑠]
ℎ1 [m]
ℎ2 [m]
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 [mL/s]
𝑄𝑏 [mL/s]
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 [mL/s]
n
2
2,021
0,895
1,070
119,799
29,100
148,898
0,038
3
1,550
0,895
1,11
113,101
31,626
144,727
0,052
5
3
1,983
0,895
1,042
157,303
36,896
194,199
0,031
5
1,983
0,895
1,042
106,566
28,033
134,599
0,034
1,685
0,895
1,13
95,029
27,941
122,970
0,059
Tabla 2. ∆H variable.

Caso 3: Caudal variable.
Tuercas
𝑓 [𝑁°𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠/𝑠]
ℎ1 [m]
ℎ2 [m]
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜 [mL/s]
𝑄𝑏 [mL/s]
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 [mL/s]
n
2
1,983
0,895
1,042
101,422
30,081
131,502
0,038
Tabla 3. Qtot variable, frecuencia fija.
Luego, se pueden obtener los siguientes gráficos:
Caso 1:
Caso 1: Eficiencia v/s Qb
4
3.5
Eficiencia [%]
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Qb [mL/s]
Gráfico 1. Eficiencia v/s Qb. Frecuencia variable.
Caso 1. Eficiencia v/s Qt
4
3.5
Eficiencia [%]

3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
130
135
140
145
Qt [mL/s]
Gráfico 2. Eficiencia v/s Qt. Frecuencia variable
150
Caso 1: Eficiencia v/s Frecuencia
4
Eficiencia [%]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Frecuencia [N°Ciclos/s]
Gráfico 3. Eficiencia v/s frecuencia. Frecuencia variable
Caso 2:
Caso 2: Eficiencia v/s ∆H
7
6
Eficiencia [%]

5
4
3
2
1
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
∆H [m]
Gráfico 4. Eficiencia v/s variación de la altura.
0.25
Caso 2: Eficiencia v/s Qb
7
Eficiencia [%]
6
5
4
3
2
1
0
27
28
29
30
31
32
Qb [mL/s]
Gráfico 5. Eficiencia v/s Qb. Altura variable.
Caso 2: Eficiencia v/s Qt
7
Eficiencia [%]
6
5
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80
100
120
Qt [mL/s]
Gráfico 6. Eficiencia v/s Qt. Altura variable.
140
160

Caso 3:
Caso 3: Eficiencia v/s Qb
4
Eficiencia [%]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.000
5.000
10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000
Qb [mL/s]
Gráfico 7. Eficiencia v/s Qb. Qt variable.
Caso 3: Eficiencia v/s Qt
4
Eficiencia [%]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
Qt [mL/s]
Gráfico 8. Eficiencia v/s Qt.
De acuerdo a los gráficos se ve que la máxima eficiencia que se alcanza es 5,9% para el
caso 2 (variación de la altura). Además, en este mismo caso, la variación de la altura guarda una
relación lineal con la eficiencia.
Los parámetros que no pueden ser modificados en el montaje experimental son por
ejemplo: la densidad del fluido, la temperatura, las dimensiones de las tuberías, etc.
2.Un asunto que es de importancia al momento de estudiar este tipo de fenómenos (arietes
hidráulicos), es el de ver la relación que existe entre los tiempos de apertura y cierre de la válvula y
el periodo de las ondas que viajan dentro de la tubería, para observar de mejor manera este
fenómeno se verán por separado a que hace referencia los tiempos de la válvula y el periodo de
las ondas que viajan en la tubería, esto se muestra a continuación:
Para una más fácil comprensión, se relacionan los diferentes períodos en que se divide el ciclo de
trabajo del Ariete.
a) Período de aceleración o derrame.
La válvula de impulso se encuentra abierta y la de descarga cerrada. La velocidad del flujo es
positiva.
(0 ≤ t ≤ Ta); (0 ≤ v ≤ vc)
b) Período de retardación o bombeo.
La válvula de impulso se encuentra cerrada y la de descarga abierta. Se produce la
desaceleración del flujo en la cámara de aire.
(Ta < t < Ta + Td); (0 < v < vc)
c) Período de retroceso o de flujo invertido.
La válvula de descarga se encuentra cerrada y se produce la reapertura de la válvula de impulso. El
flujo toma sentido negativo (en dirección al tanque de alimentación).
(Ta +Td < t < T); ( vt < v < 0 )
Buscando la relación entre la velocidad en la tubería de alimentación (va) y el tiempo (t) se puede
determinar el caudal de bombeo (q) y el caudal derramado (Q) por la válvula de impulso
q =1/ T*(p *D2) / 4
Donde:
D: Diámetro interior de la tubería de alimentación,(m).
Ta: Duración del período de aceleración.
Td: Duración del período de retardación
Tr: Duración del período de retroceso
T: Tiempo de duración del ciclo
T = Ta + Td + Tr
Vc: Velocidad del agua en la tubería de alimentación en el momento del cierre de la válvula de
impulso, (m/s).
Vr : Velocidad del agua durante el período de flujo invertido, (m/s).
Vt : Velocidad del agua en la tubería de alimentación en los diferentes instantes de tiempo,(m/s).
3.- Analice las ventajas y desventajas de este tipo de bomba, comparada con otras existentes.
Las ventajas de los golpes de ariete en relación a las bombas normales (bombas centrífugas, las
que entregan energía al fluido mediante una hélice) es que se sabe que las primeras funcionan
usando la energía propia del flujo, es decir, no necesita un agente de energía externo para su uso
pues utiliza el fenómeno impermanente del golpe de arietes. Esto es importante considerando que
no se necesita un gasto económico considerable para la instalación y mantenimiento. Además
cabe destacar que consta de un mecanismo relativamente simple. Otra consideración es que, las
bombas de golpes de ariete llegan a ser más eficientes que las otras en que éstas pueden utilizarse
en lugares apartados, sin alcance eléctrico.
Las desventajas son que, como se vio, la eficiencia alcanzada es muy baja, por lo que gran parte de
la energía requerida se perdería. Por el contrario las bombas tradicionales, mediante energía
externa pueden llegar a alcanzar eficiencia del 70-80%. Otra desventaja de los golpes de ariete es
que dado los alcances excesivos de presión, se pueden dañar las tuberías cuando se supere la
resistencia de éstas y ocasionar daños graves al sistema.
Existen distintos tipos de bombas, en donde se clasifican según el principio de funcionamiento o el
tipo de accionamiento principalmente. Las bombas más utilizadas son las centrifugas, en donde se
transforma la energía mecánica de un rodete en energía cinemática y potencial.
La principal ventaja que poseen las bombas de ariete es que no utilizan energía externa, dado que
se usa la energía propia del flujo, dado que se aprovechan las alzas de presiones generadas en el
sistema.
Lo anterior es de gran importancia, dado que se pueden elevar fluidos sin la necesidad de energía
externa. Esto es muy importante en zonas aisladas, en donde es frecuente el uso de este tipo de
bombas, dado que no se cuenta con ciertas condiciones, como por ejemplo el acceso a la
electricidad.
Otras ventajas son el bajo costo del sistema, tanto en el costo inicial de inversión, como el costo
de mantenimiento y operación, en el caso de las bombas de arietes caseras, que funcionan
bastante bien en aquellas condiciones.
Hay que reconocer que existe una parte del flujo no se puede elevar, y en el caso de las bombas de
ariete caseras estas se pierden.
Otro factor, es la eficiencia de este tipo de bombas, que si bien varían según las condiciones, en el
mejor de los casos tiene un rendimiento del 80%, mientras que por lo general son rendimientos
muchos menores al máximo. Además la cantidad de agua que pueden elevar y la velocidad de esta
es menor en consideración a las otras bombas existentes.
4.- Investigue sobre recomendaciones para el diseño y operación de bombas de ariete hidráulico.
En el sistema existe una cámara llena de aire a presión, que permite amortiguar los golpes de
ariete y de mantener un fluido más constante en el tubo ascendente. Este gas con el tiempo se va
disolviendo con el fluido, por lo que hay que reponerlo, o envolverlo con un cierto material para
evitar que se disuelva.
Algunos mecanismos poseen un sistema que inyecta una burbuja de aire en cada ciclo, lo que
permite que al cerrar la válvula de retención, se invierta momentáneamente el flujo, y permita
entrar aire por una válvula adicional (válvula de admisión de aire).
En el año 2006, algunos alumnos de Holanda desarrollaron un modelo, denominado ariete de
Breur o Breuer, que presenta mejoras a la tradicional bomba de ariete.
Una idea es regular el ariete, de manera de regular el tiempo de ciclo, de acuerdo al caudal de
entrada. También, para mejorar el rendimiento, utilizar arietes en paralelo.
En el caso de que el ariete no funciona bien, instalar un filtro, dado que pueden entrar impurezas,
también existen otras recomendaciones, como que las uniones estén bien selladas.
Un cambio importante, es el de utilizar una manguera flexible en sustitución de una
Cámara de aire construido de material rígido sobre la estructura, en donde se muestra en la
siguiente imagen.
Conclusiones y análisis de resultados
En este laboratorio se trabajo con bombas de ariete hidráulico, cuya principal característica es que
trabajan utilizando la energía del flujo para poder subir este a un estanque ubicado en una cota
superior a la del estanque inicial, utilizando un mecanismo de válvulas.
Obtuvimos relaciones experimentales para grado de efectividad 𝜂 , variando los parámetros que la
afectan tal como el caudal, la altura inicial y final y frecuencia de la bomba. En base a los gráficos
obtenidos, la variación del grado de efectividad con respecto a la frecuencia es parabólico,
mientras que varia linealmente con el caudal (tanto el que sube como el que sale), pero vemos
que cuando se aumenta el caudal que sale disminuye la efectividad, mientras que cuando
aumenta el caudal que sube aumenta la efectividad. Esto se ve pues el caudal que sube es el
𝜂=
𝑄𝑏 ∆ℎ
, con Qb el caudal de la bomba, por
𝑄𝑡 ℎ1
ende tienen una relación directa, mientras que Q sale esta solo en Qt, pues 𝑄𝑡 = 𝑄𝑠 + 𝑄𝑏 , por lo
que tienen una relación inversa.
caudal impulsado por la bomba, y por ecuación
Finalmente, en base a la investigación realizada vemos que la principal ventaja de este tipo de
bombas es que no utilizan energía externa, por lo que son de mucha utilidad en zonas con
dificultades energéticas o de difícil acceso, mientras que su principal desventaja es su bajo grado
de efectividad, además de las limitaciones en el caudal a elevar y la velocidad de este.
Dentro de las recomendaciones de diseño, veos que es importante el mantenimiento de la cámara
de aire, pues amortigua el golpe de ariete permitiendo así un flujo de agua más regular, con lo que
se obtienen grados de eficiencia mayor. El gas presente en esta cámara se va disolviendo con el
fluido, por lo que es necesario ir reponiéndolo o evitar esta disolución, para que siga cumpliendo
sus funciones.