Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete Bombas de Ariete Luis Lorenzo Gutiérrez José Antonio Mancebo Piqueras

Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Contenido 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

La Bomba de Ariete. Un poco de historia Utilidad El golpe de ariete Fundamento hidráulico Diferentes opciones Máximo aprovechamiento El ariete hidráulico multipulsor

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1. La bomba de Ariete. Un poco de historia El ingenio construido por el inglés John Whitehust en 1772, se basaba en un principio de funcionamiento novedoso. Accionando manualmente un grifo en una tubería conectada a un depósito de abasto, situado a un nivel superior, provocaba un golpe de ariete que permitía elevar el líquido hasta un depósito colocado a una altura superior al depósito de alimentación.

Fig. 1. Esquema de funcionamiento del ariete ideado por John Whitehurst:

1. Tanque de entrega 2. Tubería inclinada 3. Válvula principal 4. Tubería auxiliar 5. Válvula o grifo 6. Cámara de aire 7. Tubería de subida 8. Tanque elevado.

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En 1776 el francés Joseh Montgolfier concibió un ariete automático, construido siguiendo el mismo principio que los equipos actuales, al que denominó belier hydraulique. Este prototipo fue luego perfeccionado y finalmente patentado en 1796. Desde entonces el ariete hidráulico ha tenido una amplia difusión por todo el mundo.

Fig. 2. Esquema del ariete hidráulico ideado por Joseph Michael Montgolfier, construido con el mismo principio de funcionamiento de los equipos actuales.

Fue utilizado para alimentar a las famosas fuentes del Taj Mahal en la India y en el Ameer de Afganistán. En Francia también se utilizó la Bomba de Ariete para abastecer de agua a algunas fuentes.

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Fig. 3. Jardines del Taj Mahal (1656), actualmente regados mediante sistemas basados en bombas de ariete. El agua se toma del río Yamuna. En primer plano el mausoleo construido en mármol blanco.

Fig. 4. El río Murgah desaparece en el desierto en Ameer (Afganistan). Aprovechamiento de recursos hídricos. El desierto transformado en un vergel.

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Fig. 5. Ariete hidráulico Châtellerault, 1868

Fig. 6. La fuente Chataigner. Bléneau, 1904

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2. Utilidad

Fig. 7. Esquema de funcionamiento de una bomba de ariete

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Fig. 8. Esquema del sistema de bombeo de agua mediante el ariete hidráulico.

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Fig. 9. Aprovechamiento de los recursos hídricos y elevación de agua mediante sistemas basados en el ariete hidráulico.

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Fig. 10. La bomba de ariete es impulsada por la energía del agua que fluye por la tubería que la alimenta. Funciona continuamente, todo el día sin interrupción. No requiere electricidad ni otro combustible que la alimente. Así, no tiene costos operacionales ni causa polución al medio ambiente. Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Fig. 12. Esquema de la instalación

Fig.11. Ariete Walton 7

Algunos de los modelos diseñados tienen capacidad para impulsar hasta 40.000 litros al día.

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Fig. 13. Captación desde una corriente en superficie (río, acequia, embalse, etc).

Fig. 13a

Fig. 13b Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Fig. 14. Captación desde un manantial Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

3. El golpe de ariete Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. Un ejemplo sencillo lo tenemos en el efecto que se produce sobre la tubería cuando se cierra rápidamente una llave de paso, un grifo, etc.

Fig. 15. Proceso del golpe de ariete en una tubería. http://notaculturaldeldia.blogspot.com

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La sobrepresión se origina en la válvula que se cierra, y viaja por la tubería a una velocidad que se llama celeridad ‘’C’’. La celeridad es la velocidad de propagación de la onda, la cual puede ser calculada por la fórmula propuesta por Allievi:

C=

9900 D 48,3 + λ e

donde: C = celeridad de la onda, m/s. D = diámetro de la tubería, en m. e = espesor de la tubería, en m. λ = coeficiente que tiene en cuenta el módulo elástico del material de la tubería. Estos valores se conocen para cada material. Se denomina fase o periodo de la tubería el tiempo en que la onda de sobrepresión va y vuelve de una extremidad a otra de la tubería:

2L T= C siendo: L = longitud de la tubería y C la velocidad de propagación de la onda (celeridad. T = tiempo de maniobra. Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Si T < 2 L

Maniobra rápida

C

Si T >

2L C

Maniobra lenta

En la fórmula de Allievi, λ es, como de ha indicado, un coeficiente dependiente de la elasticidad (ε) del material constitutivo de la tubería, que representa principalmente el efecto de inercia del impulso hidráulico, cuyo valor es:

λ=

1010

ε

Valores de λ para hallar la celeridad

Material de la tubería Palastros de hierro y acero Fundición PVC PE baja densidad PE alta densidad

Ε(kg/m2)

λ

2x1010 1010 3x108 2x107 9x107

0.5 1 33 (20-50) 500 111.1

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4. Fundamento hidráulico Aprovechamiento ingenieril del ‘’golpe de ariete’’

Fig. 16. Para el funcionamiento de la bomba de ariete hidráulico se requiere contar con una caída inicial no menor de un metro que se denomina ‘’altura de carga’’ H y un ‘’caudal de alimentación’’ Q. Como resultado se tendrá un ‘’caudal de descarga’’ q y una ‘’altura de descarga’’ h.

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Es posible impulsar un fluido a alturas h que sean muy superiores a 4 veces la altura H, sin embargo la cantidad de llegada q disminuirá considerablemente haciendo el sistema menos rentable. cálculo 2.Q.H H Otro q= aproximado Donde ρ=0,66 q= Q

ρ

3.h

h

El rendimiento (ρ) del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, y varía en función del cociente h/H. Al aumentar el valor resultante, el rendimiento disminuye. En la tabla siguiente puede verse cómo varía el rendimiento energético. h/H

2

3

4

6

8

10

12

ρ

0,85

0,81

0,76

0,67

0,57

0,43

0,23

Ejemplo: Q= (Caudal de alimentación) = 100 litros/minuto H = (Altura de carga= 3 metros h = (Altura de descarga) = 24 metros La relación h/H = 8, luego el rendimiento del ariete en estas condiciones equivale al 57% (0,57) El caudal elevado q = 0,57x100x3/24= 7,125 litros/minuto = 10.260 litros/día Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Fig. 17. El equipo de bombeo basado en el principio del fenómeno físico conocido como ‘’golpe de ariete’’ supone una tecnología limpia, ecológica, eficiente y sostenible. Los costes varían según el modelo y las obras complementarias. Esta tecnología tiene un coste total de entre 425 a 1215 €. La bomba de ariete, al contrario que la motobomba, no agota el caudal de alimentación o abastecimiento por lo que el agua sobrante puede ser utilizado por otros bombas del mismo tipo.

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5. Diferentes opciones

Fig. 18. Disposición de las bombas de ariete. A la izquierda, disposición en paralelo. A la derecha, disposición en serie. [Tacke (1988)].

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6. Máximo aprovechamiento

Fig. 19. Ocho bombas de ariete instaladas en paralelo en Dehradun, India. [Chi, (2002)].

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Fig.20. Instalación de 5 bombas de ariete conectadas en paralelo. www.chinadalogue.net

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7. El ariete hidráulico multipulsor

Jan Haemhouts Fig. 21.- Ariete multipulsor

La patente del ariete hidráulico tradicional modificado se atribuye al técnico belga Jan Haemhouts, quien en 1990 llegó a Cuba y desde esa fecha hasta el día de su muerte en 1998 trabajó en diversos países: Haití, Nicaragua y Cuba. A Jan le movía la pasión desbordante de llevar el agua allí donde fuera necesaria utilizando para ello las tecnologías alternativas y participativas. Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Fig. 22 Ariete hidráulico multipulsor con tres válvulas.

El ariete hidráulico multipulsor sustituye la única válvula de los arietes convencionales por un conjunto adecuado de válvulas en posiciones óptimas con el fin de aumentar la potencia y los rendimientos. Esto permite una baja relación entre la velocidad máxima del agua en el sistema y la velocidad del agua en el momento de cierre de las válvulas con un mínimo de contraimpulso, lo que permite reducir el largo y el diámetro del tubo de impulso. También permite utilizar un solo tubo de impulso con varias unidades multipulsoras, lo que permite aumentar la potencia frente a los arietes convencionales que necesitan diseñar el equipo en función de un diámetro dado. Primeras Jornadas Internacionales sobre Bombas Manuales y de Ariete

Fig. 23. Ariete hidráulico multipulsor, modelo AH-4 (IMPAG) con 10 válvulas.

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Fig. 24 Ariete hidráulico multipulsor

Este modelo de ariete hidráulico multipulsor con una tubería de impulso de 6’’ permite salvar desniveles de 5 m, distancias de más de 200 m y volúmenes de agua diarios de 173.000 litros. Puede beneficiar a una comunidad entre cien y mil habitantes o utilizarse para el riego de pequeñas parcelas o para el abastecimiento de pequeñas granjas.

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