CARACTERIZACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO DISPONIBLE
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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 manual U. 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 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. INTRODUCCIÓN • 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. • 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) Nivel del servicio Acceso básico Acceso intermedio Acceso óptimo Medición del acceso • 20 lpd • 20 min. de tiempo de recolección • 50 lpd • Grifo público (5 min de t. r.) • 100 lpd • Abastecimiento continuo Necesidades atendidas • Consumo • Higiene básica de los alimentos • Consumo • Higiene básica de los alimentos y personal • Consumo • Higiene básica de los alimentos y personal • Lavado de ropa y baño Efecto en la salud Alto Bajo Muy bajo 2 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. INTRODUCCIÓN Bombeo manual – Estandarización – Clasificación de bombas manuales – Dominio público • Bombas de pistón: – De succión: nº6, – De acción directa: Malda, Nira, Tara – De palanca: Afridev, India Mark, Jibon… – De volanta • Bombas de diafragma: Vergnet • Bombas de arrastre: de mecate <7m <20m <45m <80m <45m <45m 100% Rendimiento de la bomba (%) • 90% 80% 70% 60% 50% 40% No 6 Malda/Nira/Tara Vergnet Afridev India Mark II/III 30% 20% 10% Jibon Mecate U3M Bush Volanta 0% 0 10 20 30 40 50 Altura de bombeo (m) 60 70 80 3 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. CONTENIDOS – INTRODUCCIÓN – RANGO DE FUNCIONAMIENTO DE B.M. – ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO – MECANISMOS DE APROVECHAMIENTO – VOLUMEN DE AGUA EXTRAIBLE – CONCLUSIONES 4 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. RANGO DE FUNCIONAMIENTO PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA • η BM Wɺ ·t H ·V = ρ ·g Parámetros que afectan al dimensionado de una instalación: – Parámetros de entrada NIVEL DE ABASTECIMIENTO • Altura de bombeo H • Volumen a bombear V 20–100 lpd NUMERO DE PERSONAS POR USUARIO 1–8 p NÚMERO TOTAL DE PERSONAS ABASTECIDAS N·xn – Esfuerzo humano • Tiempo empleado • Potencia desarrollada ? POTENCIA DISPONIBLE (tipo usuario, proceso…) PAR Y FRECUENCIA, FUERZA Y VELOCIDAD ? – Características técnicas de la bomba • Mecanismo de funcionamiento • Rendimiento • Otros parámetros EVALUACION DEL ESFUERZO NECESARIO 50–90% MODELO DE LA BOMBA 5 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. CONTENIDOS – INTRODUCCIÓN – RANGO DE FUNCIONAMIENTO DE B.M. – ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO – MECANISMOS DE APROVECHAMIENTO – VOLUMEN DE AGUA EXTRAIBLE – CONCLUSIONES 6 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO 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 • 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 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO CAPACIDAD DEL CUERPO HUMANO 8 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO ENERGÍA DIARIA DISPONIBLE 9 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO POTENCIA DISPONIBLE EN ESTUDIOS DE BOMBAS MANUALES 10 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO 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 • 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 11 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. CONTENIDOS – INTRODUCCIÓN – RANGO DE FUNCIONAMIENTO DE B.M. – ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO – MECANISMOS DE APROVECHAMIENTO – VOLUMEN DE AGUA EXTRAIBLE – CONCLUSIONES 12 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. MECANISMO DE APROVECHAMIENTO EFECTOS DEL EQUIPO SOBRE LA POTENCIA SUMINISTRADA • rendimiento propio de la instalación (rozamientos, pérdidas de caudal... • entornos de fuerzas y velocidades posibles • Wɺ = F ·v • 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 13 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. MECANISMO DE APROVECHAMIENTO MECANISMOS BÁSICOS R ω v=ω R F, v F Wɺ = F ·2π ·Rm · f = τ ·ω F ·C + F− ·C Fm ·2C Wɺ = + = t+ + t− tciclo • ejemplo de rangos habituales para bombeo durante algunos minutos Fuerza razonable R manivela Frecuencia / tiempo Potencia Brazos 30–50N 20–25cm 1Hz 38–80W Piernas 50–150N 17cm 60–100rpm 60–270W Alternativo 400N ↓ 30N ↑ 0,2–0,4m 2–4s 20–80W 14 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. MECANISMO DE APROVECHAMIENTO 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) b. Bomba de acción directa (Modelo Malda) c. Bomba de palanca (Modelo Afridev) Diámetro de la tubería de impulsión Diámetro del eje Relación de radios manivela - rueda Carrera Relación de radios de la palanca (min) Relación de radios de la palanca (max) Altura mínima de impulsión Altura máxima de impulsión Mecate (Madagascar) 28.2mm 222/210 1m 30m Malda Afridev 51.4mm 40mm 408mm 1m 12m (15m) 53.6mm 12mm 225mm 648/225 1168/225 10m 45m 15 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. MECANISMO DE APROVECHAMIENTO BOMBA DE MECATE (MODELO MADAGASCAR) F = ρ gH Altura (m) 1 8 30 π D2 4 + FR Fuerza (N) 6 50 184 ω Potencia (W) 8 65 240 Rr D (1Hz ) • alturas menores de los 8m Q p FR • fuerzas excesivas • modificación del diseño: • disminuir D • aumentar Rr/Rm; introducir cambio, bici… • alturas menores de los 8m Altura (m) 2 5 Potencia (W) 16 40 • modificación del diseño: • aumentar D • aumentar la frecuencia (?) 16 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. MECANISMO DE APROVECHAMIENTO BOMBA DE MECATE (DIVERSOS MODELOS) 17 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. (5) MECANISMO DE APROVECHAMIENTO BOMBA DE PALANCA (MODELO AFRIDEV) Fh (peso) ≫ ρ ag gH π ( Dt2 − De2 ) Fh (muscular) > ρ ag gH π De2 FR + ρ e gH − FP + 4 r r 4r π ( Dt2 − De2 ) 4r Ff + FR − ρ e gH − FP + 4 r r π De2 Altura (m) 10 10 45 Periodo Potencia (s) (W) 1,3 75 2 40 5,7 75 18 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. MECANISMO DE APROVECHAMIENTO BOMBA DE ACCIÓN DIRECTA (MODELO MALDA) F ·C + F− ·C Wɺ = + t + + t− F+ → peso F- → musculatura • aumenta De y disminuye la densidad global del eje • empuje hidrostático o de Arquímedes •en la carrera de bajada (supuesto t=2s ) Altura (m) 1 15 Fuerza (N) 20 250 Potencia (W) 3 50 • potencias bajas (pérdida de carga!) Altura (m) Potencia (W) 5 16 13 40 19 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. CONTENIDOS – INTRODUCCIÓN – RANGO DE FUNCIONAMIENTO DE B.M. – ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO – MECANISMOS DE APROVECHAMIENTO – VOLUMEN DE AGUA EXTRAIBLE – CONCLUSIONES 20 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. VOLUMEN EXTRAIBLE CAPACIDAD DE ABASTECIMIENTO (rangos de ejemplo) Potencia disponible Rendimiento de la bomba 30–60 W 60–80% 1 persona que en 20 minutos abastece (50lpd) a 8 p Volumen de agua obtenible en una hora Nivel de abastecimiento 20–100 lpd t = 8h 21 Número de personas abastecidas Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. VOLUMEN EXTRAIBLE CAPACIDAD DE ABASTECIMIENTO (rangos de ejemplo) 1.000 900 800 700 600 500 t = 8h 400 300 200 100 Angola Benin Burkina Faso Cameroon Cote d'Ivoire DRC Ethiopia Guinea Kenya Liberia Madagascar Malawi Mali Mozambique Niger Nigeria Sierra Leone Uganda Zambia Zimbabwe - Datos medios África (UNICEF-RWSN) Número de personas abastecidas 22 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. CONTENIDOS – INTRODUCCIÓN – RANGO DE FUNCIONAMIENTO DE B.M. – ESTIMACIÓN DEL ESFUERZO HUMANO – MECANISMOS DE APROVECHAMIENTO – VOLUMEN DE AGUA EXTRAIBLE – CONCLUSIONES 23 Caracterización del esfuerzo humano disponible para bombeo manual U. Ruiz-Rivas et al. CONCLUSIONES • 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. – – – – 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 24 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
