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Proyecto Fin de Carrera Construcción, caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola Escuela Politécnica Superior de Huesca 1 Proyecto Fin de Carrera Construcción, caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola Autor Javier Ortega Nebra Director César González Cebollada Escuela Politécnica Superior de Huesca 2013 Proyecto Fin de Carrera Construcción, caracterización hidráulica y estudio de aplicación de una bomba de ariete para el riego de una finca agrícola 2 3 Agradecimientos A mi familia y amigos por todo su apoyo y cariño 4 5 Indice A GRADECIMIENTOS ............................................................................................ 3 I NDICE .............................................................................................................. 5 RESUMEN ....................................................................................................... 11 1 - OBJETIVOS ................................................................................................ 15 2 - INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 19 2.1 P RESENTACIÓN DEL P ROYECTO .................................................................. 21 2.2 R ESEÑA HISTÓRICA .................................................................................... 22 2.3 E LEMENTOS COMPONENTES EN UNA INSTALACIÓN CON BOMBA DE ARIETE ....... 25 2.4 E LEMENTOS COMPONENTES DE UNA BOMBA DE ARIETE .................................. 26 2.5 F UNCIONAMIENTO DEL ARIETE HIDRÁULICO ................................................... 28 2.6 E L GOLPE DE ARIETE .................................................................................. 31 2.6.1 Definición .......................................................................................... 31 2.6.2 Fundamento ...................................................................................... 31 2.6.3 Descripción del golpe de ariete ......................................................... 32 2.6.4 Tiempo de cierre de una válvula ....................................................... 38 2.6.5 Mecanismos para la prevención o mitigación del golpe de ariete ..... 40 2.6.6 El golpe de ariete aplicado a la Ingeniería ........................................ 40 2.6.7 Cálculo del golpe de ariete para el cierre brusco de una válvula ...... 40 2.7 C ICLO TEÓRICO DEL ARIETE HIDRÁULICO ...................................................... 42 2.7.1 Modelo de Krol .................................................................................. 42 Periodo 1 ................................................................................................ 44 Periodo 2 ................................................................................................ 48 Periodo 3 ................................................................................................ 51 6 Periodo 4 ................................................................................................ 53 Periodo 5 ................................................................................................ 56 Periodo 6 ................................................................................................ 58 Periodo 7 ................................................................................................ 59 2.8 D ETALLES EN EL DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN CON BOMBA DE ARIETE ............. 61 2.8.1 La elección del lugar ......................................................................... 61 2.8.2 Elección de la bomba de ariete ......................................................... 65 Tipo de bomba de ariete ......................................................................... 66 Número de bombas y tamaño de las mismas ........................................ 68 2.8.3 Sistema de conducción ..................................................................... 70 Depósito intermedio de alimentación...................................................... 70 Tubería de impulso ................................................................................. 71 2.8.4 Sistema de entrega ........................................................................... 73 Tubería de descarga .............................................................................. 73 Depósito de descarga ............................................................................. 75 2.9 A RIETES HIDRÁULICOS COMERCIALES .......................................................... 76 2.9.1 Green&Carter ................................................................................... 76 2.9.2 Blake Hydram ................................................................................... 76 2.9.3 Walton ............................................................................................... 77 2.9.4 Schlumpf ........................................................................................... 77 2.9.5 Zahner Metallbearbeitung ................................................................. 78 2.9.6 Wama Widder ................................................................................... 78 2.9.7 Weinmann ......................................................................................... 79 2.9.8 Meribah Ram Pump .......................................................................... 79 2.9.9 Rife Hydraulic Engine ....................................................................... 80 7 2.9.10 Centragua ....................................................................................... 80 2.10 D OS EJEMPLOS DE BOMBAS DE ARIETE EN H UESCA ..................................... 81 2.10.1 Bomba de ariete en Belsué ............................................................. 81 2.10.2 Bomba de ariete en Siétamo .......................................................... 84 3 - METODOLOGÍA ......................................................................................... 89 3.1 C ONSTRUCCIÓN DE LA BOMBA DE ARIETE ..................................................... 91 3.1.1 Diseño de la bomba de ariete ........................................................... 92 3.1.2 Tamaño del ariete hidráulico ............................................................. 92 3.1.3 Partes del ariete hidráulico construido .............................................. 93 Cuerpo de la bomba de ariete ................................................................ 93 Válvula de impulso ................................................................................. 94 Válvula de descarga ............................................................................... 97 Calderín o cámara de aire ...................................................................... 98 3.2 C ARACTERIZACIÓN HIDRÁULICA DE LA BOMBA DE ARIETE .............................. 100 3.2.1 Diseño y montaje de la instalación.................................................. 100 Depósito de alimentación ..................................................................... 100 Tubería de impulso ............................................................................... 101 Bomba de ariete ................................................................................... 102 Tubería de descarga ............................................................................ 103 3.2.2 Técnica de medida empleada en la caracterización hidráulica ....... 104 3.2.3 Procedimiento realizado durante la caracterización hidráulica ....... 105 4 - RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................. 107 4.1 E FECTO DE LA VÁLVULA DE IMPULSO EN EL COMPORTAMIENTO DE LA BOMBA DE ARIETE .......................................................................................................... 109 4.1.1 Válvula de impulso mediante la modificación de una válvula no retorno tipo York....................................................................................... 109 8 4.1.2 Válvula de impulso con una válvula no retorno tipo clapeta ........... 109 4.1.3 Válvula de impulso mediante la modificación de una válvula no retorno tipo Kent ....................................................................................... 110 4.2 E FECTO DE LA ALTURA DE ELEVACIÓN .......................................................... 112 4.2.1 Resultado experimental ................................................................... 112 4.2.2 Resultado teórico: Análisis teórico del golpe de ariete ..................... 114 4.2.3 Discusión ......................................................................................... 115 Fallo en la válvula de impulso ............................................................... 116 Cierre lento de la válvula de impulso ..................................................... 116 Baja sobrepresión producida en el cuerpo del ariete............................. 117 Bomba de ariete casera ........................................................................ 117 5 - APLICACIÓN DE UNA BOMBA DE ARIETE A UNA FINCA AGRÍCOLA.119 5.1 C ONSIDERACIONES PREVIAS ..................................................................... 121 5.2 L OCALIZACIÓN DEL LUGAR A INSTALAR ........................................................ 123 5.2.1 Suministro de agua para la instalación ........................................... 125 5.2.2 Lugar de descarga .......................................................................... 126 5.3 C ÁLCULO TEÓRICO ................................................................................... 128 5.3.1 Cálculo teórico para la Parcela 1 .................................................... 130 5.3.2 Cálculo teórico para la Parcela 2 .................................................... 131 5.4 E STUDIO COMPARATIVO CON UNA BOMBA CONVENCIONAL ............................ 134 5.4.1 Selección de la bomba convencional .............................................. 134 5.4.2 Cálculo teórico ................................................................................ 135 5.4.3 Bomba de ariete vs bomba de gasolina .......................................... 137 6 - CONCLUSIONES ..................................................................................... 139 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 143 9 ANEXO I......................................................................................................... 149 P ROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA BOMBA DE ARIETE .................... 151 ANEXO II........................................................................................................ 159 P ROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA VÁLVULA DE IMPULSO PARTIENDO DE UNA VÁLVULA NO TIPO Y ORK ........................................................................... 161 ANEXO III....................................................................................................... 171 P ROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA VÁLVULA DE IMPULSO PARTIENDO DE UNA VÁLVULA NO RETORNO TIPO KENT ............................................................. 173 ANEXO IV ...................................................................................................... 181 P RESUPUESTO .............................................................................................. 183 16 17 Objetivos generales: · Estudio y aplicación de energías no dependientes de la energía fósil así como de la energía eléctrica. · Rescatar del rincón del olvido las bombas de ariete. Objetivos específicos: · Revisión bibliográfica del “estado del arte” científico y tecnológico acerca de las bombas de ariete. · Construcción de una bomba de ariete. · Caracterización hidráulica de la bomba de ariete construida. · Estudio comparativo de aplicación al riego de una finca agrícola. 18 19 2 - INTRODUCCIÓN 20 21 2.1 Presentación del Proyecto La bomba de ariete, también conocida como ariete hidráulico, hydram o ram pump, aprovecha la energía hidráulica ocasionada de un pequeño desnivel para elevar agua a una altura superior, sin usar, para ello, electricidad o combustible alguno. De este modo, esta bomba de impulsión toma el agua de un depósito, acequia o río situado a una altura ligeramente superior, aprovechando la energía cinética que induce el propio fluido al discurrir por una tubería hasta el cuerpo de la misma para provocar una sobrepresión ocasionada por la apertura y cierre continuo de una válvula. Esta sobrepresión producida se denomina golpe de ariete y es el principio básico para su funcionamiento. La bomba de ariete no es un invento actual sino que pertenece al conjunto de herramientas que han sido relegadas, en muchos casos, a piezas de colección, mostradas en museos como mero recuerdo de lo que hace un tiempo no tan lejano significaron para el desarrollo de los pueblos. De este modo, observamos como norias, ruedas o arietes hidráulicos, entre otros muchos, fueron sistemas de bombeo muy extendidos y de gran éxito que con la irrupción de la corriente eléctrica y la bomba centrífuga fueron cayendo poco a poco en desuso, debido a la mayor eficiencia de estas últimas. Esta situación de omnipresencia que durante este último siglo han disfrutado los sistemas de bombeo eléctricos y de combustión interna ha llevado a un desarrollo de éstos magnífico, coincidente con el esplendor de las nuevas tecnologías, lo que ha provocado el abandono de los sistemas tradicionales así como de su investigación en busca de máquinas más eficientes de las que existían antiguamente, bien fabricándolas con otros materiales o bien añadiendo nuevos elementos que permitiesen un mayor rendimiento. Sin embargo, en los últimos años, se ha suscitado un interés creciente en los dispositivos de energía renovable, debido no sólo a una mayor concienciación social, sino a los actuales precios del petróleo y de la electricidad que conllevan a que existan sistemas de riego de última generación infrautilizados. Por ello, desde el presente Proyecto Final de Carrera, queremos aportar nuestro granito de arena para recordar que existen sistemas de bombeo que, en determinadas circunstancias, se pueden amoldar a nuestras necesidades con un coste mucho menor tanto para nosotros como para nuestra Tierra, que tan debilitada se encuentra a comienzos del siglo XXI. 22 2.2 Reseña histórica La primera bomba de ariete conocida se atribuye al inglés John Whitehurst en 1772. Este ilustre personaje experimentaba con el agua que fluía rápidamente por los tubos, y en su cervecería, ubicada en el condado de Cheshire, inventó una máquina muy rudimentaria, la cual era accionada manualmente. Este hydram, al que denominó “pulser pump” estaba accionado por un grifo en una tubería conectada a un tanque de abasto, en un nivel superior, para provocar el fenómeno físico conocido como golpe de ariete, el cual le permitió elevar el líquido a un tanque de almacenamiento colocado a 4.9 metros de altura. Figura 2.1. Diseño del “pulser pump” de John Whitehurst [Fuente: http:www.cubasolar.cu, revisada en Abril de 2013] Unos años después, en 1776, la sagacidad humana añadió elementos al invento de John Whitehurst y se fabricó el primer ariete hidráulico autoactivante de la mano de los hermanos Montgolfier, cuya mejora consistía en que ya no se necesitaba de ninguna fuerza externa para abrir la válvula de impulso, sino que era la propia fuerza inherente del agua la que se encargaba de realizar esa tarea. A este nuevo prototipo le denominó “belier hydraulique”. Figura 2.2. Diseño del “belier hydraulique” de los hermanos Montgolfier [Fuente: http:www.cubasolar.cu, revisada en Abril de 2013] 23 Después de la muerte del célebre francés, no fueron pocas las voces que se ocuparon de añadir bondades al invento e investigaron los secretos de su aparente magia. El trabajo de Joseph Montgolfier fue mejorado por su hijo, François, quien en 1816 diseñó una válvula para introducir aire en la cámara del ariete hidráulico con la intención de mejorar el rendimiento, llegando a bombear agua a 48 metros de altura. En 1820, la patente pasó a las manos de Easton Company, siendo la primera empresa en fabricar bombas de ariete a escala comercial usados para el abastecimiento de agua en comunidades, granjas o en otros lugares como las fuentes del Taj Mahal o el Ameer de Afganistán. Era un tiempo donde la gasolina se encontraba en pequeñas botellas en las boticas, faltaba mucho tiempo para que hubiera corriente eléctrica y la máquina de vapor acababa de empezar a andar, por lo que el ariete hidráulico tuvo una amplia difusión por todo el mundo. Esta situación provocó que investigadores experimentaran con el invento y formularan hipótesis para intentar describir el proceso de funcionamiento. Eytelwein, en 1805; d’Aubuisson, en 1840 y Morin, en 1863, aportaron deducciones empíricas que aún persisten en trabajos de referencia, aunque fueron criticados por técnicos de la época debido a que no reflejaban su verdadera complejidad. El problema se encontraba en que el principio de funcionamiento, el golpe de ariete, no estaba definido aún, ya que científicos europeos habían observado su impacto en conducciones de tuberías pero no sabían describir su proceso. Fue en 1889, cuando un científico ruso, N. Zhukovsky, detalló la teoría del fenómeno del golpe de ariete, suponiendo la base para la mejora y el conocimiento, así como el desarrollo de las bombas de ariete. La fusión de la teoría y la práctica aportaron las claves cognitivas: desde Harza, en 1908, con el diseño de un equipo experimental accionado por un motor externo para determinar el caudal inestable durante el período de aceleración; O’Brien y Gosline, en 1933, quienes contribuyeron a dar una primera explicación satisfactoria para el funcionamiento del ariete; Lansford y Dugan, en 1941, que obtuvieron informaciones atendibles; Krol, en 1951, quien formuló un ciclo teórico para el funcionamiento del ariete hidráulico; o el modelo de Iversen, en 1975; hasta recientes indagaciones como las realizadas por Schiller y Kahangire en la Universidad de Ottawa; el belga Jan Haemhouts, desde 1989 a 1998, e investigadores cubanos desde la década del noventa del pasado siglo. Pero con el paso de los años, el boom del petróleo, la consolidación de la 24 industria moderna y el avance arrollador de la bomba centrífuga fue desapareciendo el interés por las bombas de ariete hasta hoy en día que se usan de forma anecdótica en algunos proyectos, sobretodo, en países en vías de desarrollo, donde las personas que allí habitan no suelen tener acceso fácil ni a la electricidad ni a los combustibles. Sin embargo, lo que más se recuerda de la era victoriosa de los arietes hidráulicos es el escaso mantenimiento que requerían y su vida útil, lo que hubiera permitido satisfacer ciertos mercados por varias décadas (en Ameya, Nicaragua, se encuentra una bomba de ariete funcionando desde 1884). Este argumento tampoco favorece el desarrollo de esta tecnología en el mundo mercantilista, donde el buen negocio consiste fundamentalmente en seguir vendiendo, aunque sea sobre la base de la manipulación de las necesidades reales de las personas. 2.3 Elementos componentes ariete Figura 2.3. E lementos componentes en una instalación con [Fuente: Ramón Los componentes que nos vamos a encontrar en una instalación con bomba de ariete tienen que ser los siguientes, para que el funcionamiento sea el co y el agua fluya al depósito de descarga de una forma cuasi · Depósito de suministro a recolectar el agua para trasladar parte de ella a otro lugar de mayor cota. · Tubería de alimentación o d alimentación con el ariete hidráulico y constituye uno de los elementos fijos más importantes. · Bomba de ariete. · Tubería de descarga: Tubería que va a conducir el agua desde el ariete hidráulico hasta el depósito f · Depósito de descarga: Lugar de almacenamiento de agua para luego ser aprovechada para el uso que le corresponda (irrigación, consumo de agua para una casa o aldea, granja... etc.) C ada uno de estos elementos debe dependiendo del lugar donde se pretende instalar el ariete hidráulico y de las necesida des que se tengan, con la finalidad de posible. 25 Elementos componentes en una instalación con bomba de lementos componentes en una instalación con bomba de ariete [Fuente: Ramón Chamba y Vallejo Herrera (2005)] Los componentes que nos vamos a encontrar en una instalación con bomba de ariete tienen que ser los siguientes, para que el funcionamiento sea el co y el agua fluya al depósito de descarga de una forma cuasi - continua. suministro , río o acequia: lugar de donde se va a proceder a recolectar el agua para trasladar parte de ella a otro lugar de mayor · Tubería de alimentación o d e suministro: conecta el con el ariete hidráulico y constituye uno de los elementos fijos más importantes. · Bomba de ariete. · Tubería de descarga: Tubería que va a conducir el agua desde el ariete hidráulico hasta el depósito f inal de almacenamiento. · Depósito de descarga: Lugar de almacenamiento de agua para luego ser aprovechada para el uso que le corresponda (irrigación, consumo de agua para una casa o aldea, granja... etc.) ada uno de estos elementos debe n poseer unas cara cterísticas propias dependiendo del lugar donde se pretende instalar el ariete hidráulico y de las des que se tengan, con la finalidad de obtener la máxima en una instalación con bomba de bomba de ariete Los componentes que nos vamos a encontrar en una instalación con bomba de ariete tienen que ser los siguientes, para que el funcionamiento sea el co rrecto continua. , río o acequia: lugar de donde se va a proceder a recolectar el agua para trasladar parte de ella a otro lugar de mayor e suministro: conecta el suministro de con el ariete hidráulico y constituye uno de los elementos · Tubería de descarga: Tubería que va a conducir el agua desde el ariete · Depósito de descarga: Lugar de almacenamiento de agua para luego ser aprovechada para el uso que le corresponda (irrigación, consumo de cterísticas propias dependiendo del lugar donde se pretende instalar el ariete hidráulico y de las máxima eficiencia líquido por completo. Además de las deformaciones motivadas por las sobrepresiones y depresiones mencionadas, se presentan vibraciones y otros efectos perjudiciales que pueden ocasionar roturas, aplastamientos y otros desperfectos en las tuberías y sus equip os, tales como anclajes, válvulas, etc. Por ello, para el proyectista es de trascendental importancia el estudio del posible golpe de ariete existente en cada conducción, basándose en cálculos de gran complejidad, al objeto de obtener el diseño correcto d asentamiento adecuado de los elementos de cierre y aquellos otros dispositivos que contrarresten, dentro de lo posible, los efectos perjudiciales debidos a maniobras inadecuadas, que pudieran acarrear gravísimas consecuencias. 2.6.3 Descrip ción del golpe de ariete Como se verá a continuación, el golpe de ariete consiste en la transformación de la energía cinética del líquido en energía elástica que almacena tanto el 32 Además de las deformaciones motivadas por las sobrepresiones y depresiones mencionadas, se presentan vibraciones y otros efectos perjudiciales que pueden ocasionar roturas, aplastamientos y otros desperfectos en las tuberías os, tales como anclajes, válvulas, etc. Por ello, para el proyectista es de trascendental importancia el estudio del posible golpe de ariete existente en cada conducción, basándose en cálculos de gran complejidad, al objeto de obtener el diseño correcto d asentamiento adecuado de los elementos de cierre y aquellos otros dispositivos que contrarresten, dentro de lo posible, los efectos perjudiciales debidos a maniobras inadecuadas, que pudieran acarrear gravísimas consecuencias. ción del golpe de ariete a continuación, el golpe de ariete consiste en la transformación de la energía cinética del líquido en energía elástica que almacena tanto el Además de las deformaciones motivadas por las sobrepresiones y depresiones mencionadas, se presentan vibraciones y otros efectos perjudiciales que pueden ocasionar roturas, aplastamientos y otros desperfectos en las tuberías Por ello, para el proyectista es de trascendental importancia el estudio del posible golpe de ariete existente en cada conducción, basándose en cálculos de gran complejidad, al objeto de obtener el diseño correcto d e la misma, el asentamiento adecuado de los elementos de cierre y aquellos otros dispositivos que contrarresten, dentro de lo posible, los efectos perjudiciales debidos a maniobras inadecuadas, que pudieran acarrear gravísimas consecuencias. a continuación, el golpe de ariete consiste en la transformación de la energía cinética del líquido en energía elástica que almacena tanto el 33 fluido como las propias paredes de la tubería. La instalación que poseemos está compuesta por un depósito, una válvula y una tubería de longitud L y diámetro D por la que circula un caudal Q determinado a una velocidad constante u. Mientras que el resto de la instalación, válvula abajo, no es necesario conocerla debido a que no va a influir directamente en el caso que vamos a detallar. En la situación inicial, la válvula se encuentra abierta y por la tubería circula un caudal a una determinada velocidad y presión constantes, suponiendo que el nivel del depósito, h, también lo es. Figura 2.9. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] En un determinado momento (t = 0), se cierra la válvula situada en el punto O, por lo que el volumen de agua más cercano a dicho punto se comprime fuertemente contra la válvula cerrada, incrementándose la presión, h', como consecuencia de la compresibilidad del fluido, y deformándose elásticamente, a su vez, la pared de la tubería. Este efecto permite que el resto del líquido que se encuentra en la tubería no acuse inmediatamente el cierre de la válvula y continúe moviéndose hacia ésta a velocidad u. Por lo tanto, la presión total en el extremo más cercano al punto O de la tubería es H (h+h´) y la velocidad en ese tramo se anula como consecuencia del cierre repentino. Este cierre instantáneo de la tubería provoca una onda de propagación, celeridad de onda c, la cual se propaga en sentido contrario a la velocidad del fluido, siendo función de la compresibilidad del fluido y de la elasticidad de la pared de la tubería de la instalación. Esta onda de propagación se origina, como hemos visto anteriormente, en el punto O como consecuencia del cierre instantáneo de la válvula y va a propagarse por la tubería hasta llegar al depósito, donde se refleja, vuelve en sentido contrario hacia la válvula, para volver posteriormente hacia el depósito y así sucesivamente, creando sobrepresiones y depresiones a lo largo de la tubería, la cual se dilata y se contrae con el paso de la onda (Ramón Chamba y 34 Vallejo Herrera, 2005). En este instante, aguas arriba de la válvula, el fluido se va comprimiendo desde el punto O hacia el punto M, con una velocidad constante c, provocando una sobrepresión h' a lo largo de la tubería y anulando la velocidad. Figura 2.10. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] La onda de presión c llega al punto M   =  , base del depósito, y toda la tubería se encuentra en reposo (u = 0), pero no en equilibrio, quedando el agua comprimida en su interior a una presión H (h+h'). Figura 2.11. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] Cuando toma contacto con la base del depósito, la onda de propagación rebota y se dirige en sentido contrario hacia el punto O, mientras que el líquido contenido en la tubería se desplaza a una velocidad u en sentido contrario al anterior. De esta manera, la tubería se va contrayendo a su diámetro correspondiente conforme la onda va propagándose hacia el punto O. 35 Figura 2.12. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] Una vez que llega la onda de presión c al punto O 2  =   toda la tubería recupera su diámetro normal, mientras que el fluido contenido sigue desplazándose hacia el depósito con una velocidad u. Figura 2.13. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] Como la tubería recupera su diámetro, no hay sobrepresión alguna, pero debido a la inercia, la presión continúa disminuyendo y la onda continúa propagándose desde la válvula hacia el depósito con velocidad c, por lo que el diámetro va disminuyendo por debajo del diámetro normal. 36 Figura 2.14. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] Al llegar la onda al depósito 3  =  , el agua en está en reposo, pero no en equilibrio. La depresión reina en toda la tubería y, por lo tanto, el diámetro de toda la tubería es inferior al normal. Figura 2.15. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] El agua inicia su movimiento desde el depósito hacia la válvula y la tubería va recuperando su diámetro normal, mientras que en los aledaños más próximos a la válvula la tubería sigue en depresión y el líquido en reposo. 37 Figura 2.16. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] La onda de propagación y el sentido del fluido son los mismos. Conforme el agua va avanzando se vuelven a recuperar las condiciones iniciales y el diámetro D se restablece 4  =   Figura 2.17. Descripción del golpe de ariete [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] Aquí termina el primer ciclo del proceso y si la válvula O permanece cerrada, se volverá a repetir otro segundo ciclo de manera semejante, pero de menor intensidad, debido a las pérdidas que existen dentro de la tubería, tendiendo a una situación final de equilibrio en la que la velocidad es nula en toda la conducción y la presión coincide con la estática. (Arviza Valverde et al. 2002). 38 Figura 2.18. Evolución de la presión durante el transitorio en el punto O. (Aguas arriba de la válvula de cierre) [Fuente: Arviza Valverde et al. (2002)] En la figura anterior se muestra la variación de la presión aguas arriba de la válvula desde el inicio del transitorio. Pudiéndose observar que se trata de un fenómeno oscilatorio igual a dos veces el pulso de Allievi y con un periodo igual a 4  . Figura 2.19. Evolución de la velocidad con el tiempo, en el transitorio. (Línea continua: a la salida del depósito. Línea a trazos: en el punto medio de la conducción) [Fuente: Arviza Valverde et al. (2002)] 2.6.4 Tiempo de cierre de una válvula El cálculo de sobrepresiones depende del tiempo de cierre de una válvula y tanto la teoría como la práctica demuestran que las máximas sobrepresiones posibles se logran para los casos en los que la maniobra de cierre sea menor que el tiempo que tarda la onda en su viaje de ida y vuelta al obturador. Este tiempo lo denominaremos tiempo crítico t c (Pérez y Guitelmán, 2005) y equivale a: t c = 2t 0 = 2  Así, teniendo en cuenta el tiempo crítico de cierre, podemos considerar los 39 tiempos de cierre de la válvula: · Cierre rápido: el tiempo de cierre de la válvula es menor que el tiempo crítico (t < t c ). En el cierre rápido de una válvula la onda de presión no tiene tiempo de ir al estanque, reflejarse y volver a dicha válvula antes de que termine medio ciclo. Figura 2.20. Cierre rápido. Diagrama para los distintos valores que puede tomar t c [Fuente: Pérez y Guitelmán (2005)] · Cierre lento: el tiempo de cierre de la válvula es mayor que el tiempo crítico (t > t c ) por lo que la presión máxima será menor que en los casos anteriores debido a que la depresión de la onda elástica llega a la válvula antes de que se complete el medio ciclo e impide el aumento de presión (Afif Khouri, 2004). Figura 2.21. Cierre lento de una válvula [Fuente: Pérez, L.E. y Guitelmán, A. (2005)] 40 2.6.5 Mecanismos para la prevención o mitigación del golpe de ariete Instalar válvulas apropiadas en las líneas de conducción y controlar su tiempo de cierre. Cierre lento de las válvulas. Escoger un diámetro de las tuberías un poco más grande para que la velocidad del fluido sea menor. En el caso de sistemas bombeados, utilizar una bomba con volante para que en el caso de corte de corriente se reduzca lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad del agua en la tubería. Usar una cámara o colchón de aire. Instalar válvulas de seguridad. 2.6.6 El golpe de ariete aplicado a la Ingeniería Bajo el punto de vista de la Ingeniería no se puede observar este fenómeno como perjudicial en todos los casos, ya que, por ejemplo, en el caso del ariete hidráulico, el golpe de ariete va a ser el principio básico para el funcionamiento de la bomba, creando una sobrepresión que luego va a ser utilizada para impulsar el fluido a un punto más alto. Es por ello que para el diseño de la bomba de ariete interesa que la válvula de impulso se cierre de la forma más rápida posible para crear una mayor sobrepresión. 2.6.7 Cálculo del golpe de ariete para el cierre brusco de una válvula Como hemos explicado anteriormente, desde el punto de vista del diseño del ariete hidráulico, nos interesa que el cierre de la válvula se produzca lo más rápido posible, por lo que vamos a proceder a explicar cómo se realiza el cálculo para conocer cuál es la máxima sobrepresión alcanzada en el interior del cuerpo de la bomba. Para ello, debemos conocer en primer lugar el tiempo crítico de cierre y comprobar que el tiempo de cierre de la válvula es menor que el primero (t < t c ).   = 2   41 Siendo: L: longitud de la tubería. c: celeridad de la onda, que a su vez se calcula: =  1−   Siendo: ℇ: módulo de compresibilidad del fluido. ρ: densidad del fluido. E: módulo de elasticidad del material de la tubería. e: espesor de la tubería. D: diámetro de la tubería. Una vez obtenida la celeridad y el tiempo crítico de cierre y habiéndose comprobado que se trata de un cierre rápido de la válvula, se puede obtener la máxima sobrepresión posible obtenida a raíz del golpe de ariete, utilizando la fórmula de Allievi: ∆ℎ  =    Siendo: c: celeridad de la onda. U: velocidad media en el régimen uniforme. g: aceleración normal de la gravedad. 48   = 2  Siendo: t 1 = tiempo de duración del periodo 1. v 1 = velocidad durante el periodo 1. y = distancia debido al retroceso del agua. H = altura del nivel del agua en el depósito de suministro. Periodo 2 El fluido escapa por la válvula de impulso alcanzando una velocidad máxima, v 2 , necesaria para adquirir una energía cinética suficiente para contrarrestar el peso de de la válvula de impulso e iniciar su cierre. Figura 2.24. Periodo 2 del ciclo del ariete hidráulico [Fuente: Campaña Calero y Guamán Alarcón (2011)] Esta velocidad viene dada por la siguiente ecuación:   =        Siendo: W: masa de la válvula de impulso. A’: área de la válvula de impulso. K 0 : coeficiente de resistencia al cierre de la válvula de impulso. 49 La velocidad en la tubería para que ocurra el cierre de la válvula de impulso, será:   =(0.3  0.5)2  Siendo: Z: coeficiente total de pérdidas. Dicho coeficiente será el conjunto de todas las pérdidas de carga que existen en la tubería como consecuencia de la fricción del líquido con la pared, con los accesorios que forman parte de la instalación, o de partículas del propio fluido entre sí, y que en el periodo anterior hemos obviado al considerarlas de poca magnitud. = 1++ El periodo 2 constituye casi la mayor parte, en tiempo, del ciclo del ariete hidráulico por lo que en este caso sí se han de tener en cuenta las pérdidas de carga: =    −   =  −   2−      2+    2=     −   21++=    −   21++=   Como Z es el coeficiente total de pérdidas: = 1++ Sustituyendo dicho valor, obtenemos la siguiente expresión: −   2=   Al multiplicar dicha ecuación por   y despejando dt, obtendremos: 50 = 2  2 −    =  2  2 −        =  2 ln1+  2′   1−  2′  1−   1−   Siendo: t 2 : tiempo de duración del periodo 2. La cantidad de agua desechada por la válvula de impulso durante este tiempo está dada por:   =     Siendo: A: área de la tubería de alimentación. Al remplazar dt, queda:   =   2  2 −        =   ln2 − 2  2 −        Pero, si: 2 −       =0   =∞ De aquí podemos sacar una conclusión importante y es que si el caudal desperdiciado tiende a infinito, la válvula de impulso no se cerrará en ningún momento, por lo que la masa de la válvula de impulso debe satisfacer la siguiente condición: 51 0<<2′    Volviendo a la ecuación siguiente e integrando podremos calcular el tiempo de duración conjunto del periodo 1 y el periodo 2. = 2  2 −     =  2  2 −          +  =  2 ln     1+ ′  2 1− ′  2     Periodo 3 La velocidad del fluido es ahora tal que la fuerza provocada en el interior de la válvula de impulso supera el peso de la misma. La válvula de impulso comienza a cerrarse, completando su clausura al final del periodo 3. Figura 2.25. Periodo 3 del ciclo del ariete hidráulico [Fuente: Campaña Calero y Guamán Alarcón (2011)] El análisis matemático del periodo 3 es complicado debido a que tanto el fluido como la válvula de impulso están en movimiento. Por ello, Krol, se basa en la segunda Ley de Newton, aunque introduciendo 52 algunas simplificaciones matemáticas:    = 2   1−  2′    ′  Quedando:   =  ′  4  1−  2′    Siendo: t 3 : tiempo de duración del periodo 3. S: carrera de la válvula de impulso. Debido a que el periodo 3 tiene una duración muy pequeña, la velocidad casi no varía su velocidad inicial, por lo que podemos asumir: v  = v  Por lo que la cantidad de agua desechada, en este periodo, teniendo en cuenta la anterior consideración, la podemos estimar de la siguiente forma:   =    =    Siendo: Q 3 : cantidad de agua desechada a través de la válvula de impulso. La energía cinética, al final del periodo 3, de la columna de agua se podrá determinar:   =    2 Si:   =   =   Se tiene, sustituyendo: 53   =  2  =  2  Siendo: E c : energía cinética de la columna de agua. m: masa de la columna de agua. Periodo 4 Cuando acaba el periodo 3, la válvula de impulso se encuentra completamente cerrada, causando una sobrepresión, fenómeno conocido como golpe de ariete. Considerando la inercia de las válvulas, se toma un tiempo  hasta que el momento dinámico creado por el golpe de ariete se traslada desde la válvula de impulso hasta la válvula de descarga, provocando la apertura de ésta última. Al mismo tiempo, la velocidad en la tubería es reducida en proporción a la cabeza de presión (h + h’). Figura 2.26. Periodo 4 del ciclo del ariete hidráulico [Fuente: Campaña Calero y Guamán Alarcón (2011)] La duración del periodo 4 es muy corta por lo que se puede asumir:   = 2 Siendo: t 4 : tiempo de duración del periodo 4. c: celeridad de la onda. 54 Pudiéndose decir que t 4 es el tiempo requerido para una completa reflexión de una onda de presión que viaja a lo largo de la tubería de impulso (tiempo crítico). La celeridad, se puede calcular como: =  1−   Siendo: ℇ: módulo de compresibilidad del fluido. ρ: densidad del fluido. E: módulo de elasticidad del material de la tubería. e: espesor de la tubería. D: diámetro de la tubería. Podremos calcular la velocidad de este periodo a raíz de la siguiente relación:   =   − (ℎ+ ℎ  ) Siendo: v 4 : velocidad al final del periodo 4. h: altura de descarga medida desde el nivel de suministro. h r : pérdida de carga durante el periodo de retardación. La pérdida de carga, durante el periodo de retardación en la tubería de impulso, en la válvula de descarga y en la tubería de descarga, se puede expresar de la siguiente forma: ℎ  =5.64 1− ℎ ℎ   Siendo: h max : altura de descarga máxima desarrollada por el ariete. Volviendo a la fórmula para el cálculo de la velocidad en el periodo 4, la altura máxima de descarga que desarrolla el ariete la podremos calcular cuando:   =0  ℎ  =0 55   =   − (ℎ+ ℎ  ) De tal modo: ℎ  =     Si v 2 = v 3 , se tiene: ℎ  =   ′  Esta ecuación muestra que para un peso dado de la válvula de descarga W y una longitud S, hay siempre una altura máxima de descarga a la cual puede ser bombeada el agua y también muestra que si la válvula de impulso es demasiado liviana, únicamente se puede obtener una pequeña altura de descarga. Debido a la reducción de la velocidad en este periodo por efecto de la subida de presión (golpe de ariete), hay una cierta pérdida de energía cinética que es gastada en la comprensión del agua contenida en la tubería de impulso y el ensanchamiento de las paredes de la misma. Esta pérdida de la energía cinética puede determinarse como:   =  ∆  2 Siendo: E cp : energía cinética perdida. ∆v 2 : incremento de la velocidad. Si: ∆  = (ℎ+ℎ  )      =   Se tiene, por tanto:   =  (ℎ+ℎ  )   2  56 Periodo 5 Este periodo corresponde al bombeo, encontrándose, para ello, la válvula de descarga completamente abierta. Figura 2.27. Periodo 5 del ciclo del ariete hidráulico [Fuente: Campaña Calero y Guamán Alarcón (2011)] La energía cinética proveniente de la columna de agua en movimiento es transformada en energía hidráulica, por lo que la masa de agua que cumple con las condiciones de presión es bombeada, más el aire comprimido que ha estado retenido desde el inicio del ciclo bajo la válvula de descarga. Por tanto, la cantidad de agua bombeada por ciclo resulta de la aplicación de la Ley de Conservación de la Energía. La energía útil para bombear agua a una altura (h + h r ), será igual a la energía cinética que poseía la columna de agua, al final del periodo anterior, menos la energía cinética gastada en la comprensión del fluido y en la dilatación de las paredes de la tubería.   =   Siendo: E disp : energía disponible. E h : energía hidráulica.   =   −     =  (ℎ+ℎ  ) Igualando, acorde a lo explicado anteriormente:   (ℎ+ℎ  )=   −   57   =   −   ℎ+ℎ  Mientras, la duración del periodo 5 se puede determinar por el teorema de Impulso y cantidad de movimiento: = = (ℎ+ℎ  )  4   =(ℎ+ℎ  )  4    =  (  −  ) Siendo: v 5 : velocidad durante el periodo 5. t 5 : tiempo de duración del periodo 5. Igualando las dos ecuaciones:  =  (ℎ+ℎ  )  4  =  (  −  ) Si:   =   − (ℎ+ℎ  )   =   Se tiene:   =  (ℎ+ℎ  ) ′  −(ℎ+ℎ  )   Esta ecuación obtenida pone en evidencia que el tiempo de descarga decrece rápidamente con el incremento de la altura de descarga. Una vez abierta la válvula de descarga comienza a liberarse la sobrepresión, debido a que la fuerza retardadora de la carga es mayor que la carga de abastecimiento. Cuando la velocidad de flujo se anula, se termina la etapa de bombeo; sin embargo el fluido que se encuentra en la cámara de aire tiende a regresar al cuerpo del ariete, como consecuencia de que la cámara de aire dispone de mayor presión, en dicho momento, que el cuerpo; por lo que es menester un cierre correcto en el instante preciso de la válvula de descarga, ya que 64 La siguiente tabla, es característica siendo la proporcionada por las distintas casas comerciales para la realización del estudio de viabilidad, en la que se relacionan el caudal impulsado con el ratio de alturas, la eficiencia del ariete hidráulico y el caudal suministrado. Tabla 2.1. Litros de agua bombeados en 24 horas de funcionamiento para una bomba con una eficiencia del 50% y un caudal de suministro de 1 litro por minuto [Fuente: Hazarika (2007)] Por lo tanto, acorde a los datos facilitados en la anterior tabla tanto como a los consultados en el resto de la bibliografía, podemos afirmar que cuanto mayor sea el ratio (h/H), menor será el caudal bombeado al depósito de descarga y, por ende, menor la eficiencia. Figura 2.32. Eficiencia de un ariete hidráulico de 4” respecto al ratio de alturas [Fuente: Chi (2002)] 65 Silver (1977) marca unos límites tanto máximos como mínimos para elevar el agua, admitiendo que la altura mínima para elevar una porción de fluido será dos veces la altura de caída, mientras que la altura máxima de bombeo corresponde a veinte veces la altura de impulso al hydram. Jeffery et al. (1992), por su parte, sitúan el ratio de alturas normalmente entre 5 y 25, sin embargo, se puede observar y algunos autores recomiendan que dicho valor no supere la relación de 8 debido a que a partir de dicho rango la eficiencia decrece rápidamente (Chi, 2002). Otro aspecto importante, y en muchos casos definitivo, para elegir un emplazamiento, sobre todo en lugares donde el agua es un bien escaso, es el de buscar una alternativa al fluido derramado a través de la válvula de impulso durante el funcionamiento del ariete. Es de importancia categórica este asunto debido a que el caudal derramado suele ser igual o mayor al bombeado, dependiendo del rendimiento de la bomba de ariete, por lo que la opción más adecuada y que la mayor parte de las fuentes bibliográficas consultadas proponen, es su retorno al lugar de origen aguas abajo. Figura 2.33. Detalle de la devolución del caudal derramado al río, aguas abajo [Fuente: Jeffery et al. (1992)] 2.8.2 Elección de la bomba de ariete Cuando se procede a la elección de la bomba de ariete, se deben haber estudiado los parámetros característicos del lugar a instalar el hydram, y, por lo tanto, conocer una estimación del caudal disponible (Q), la altura de la fuente de abastecimiento (H), la altura del depósito de descarga (h) y las necesidades 66 hidráulicas que se requieren. El conocimiento de estos datos anteriores junto con las especificaciones técnicas de la bomba de ariete nos debe permitir realizar un diseño óptimo. Estas especificaciones técnicas son facilitadas por la casa comercial donde se adquiere el ariete hidráulico y normalmente constan de: · Una relación de la eficiencia del ariete respecto al ratio de las alturas: = ℎ Siendo: : eficiencia del ariete hidráulico q: caudal elevado Q: caudal de suministro h/H: ratio entre las distintas alturas. · Una relación de caudales respecto al ratio de alturas: basándose en la misma expresión anterior, una relación entre el caudal elevado respecto al total que atraviesa el hydram (q/Q) entre el ratio de alturas (h/H). · La potencia de la bomba: = 60 ℎ Siendo: P: potencia de la bomba de ariete, en watios g: aceleración de la gravedad q: litros de agua bombeados al depósito de descarga en un minuto h: altura del depósito de descarga Por consiguiente, y en función de las necesidades hidráulicas que requiera el cultivo, se debe determinar el tipo de bomba de ariete a emplear, su tamaño y el número de hydrams a utilizar en la instalación para que dichos requerimientos queden satisfechos. Tipo de bomba de ariete En primer lugar, se debe plantear si comprar un ariete hidráulico a una casa 67 comercial o si construir uno en el lugar donde se va a realizar la instalación. Este planteamiento, que no se realiza con otros tipos de sistemas de bombeo, y que puede parecer descabellado en este mundo globalizado, es un factor que favorece en muchos proyectos, sobre todo cuando se tratan de proyectos de cooperación en países en vías de desarrollo, la implantación de las bombas de ariete debido a su sencillez y facilidad en su construcción, utilizando talleres de la propia localidad o de localidades cercanas. Este es el caso de los arietes hidráulicos DTU, promovidos por la Development Technology Unit, de la Universidad de Warwick, investigando desde 1985 los detalles constructivos, los rendimientos y la fabricación de bombas de ariete para países en vías de desarrollo, publicando gran cantidad de material para la difusión y puesta en marcha de estas bombas con el objetivo de extender su uso en lugares donde sea posible instalarlas. Gracias a su labor, podemos encontrar libros y manuales en los que se observa pormenorizadamente y con todo tipo de detalle planos para la fabricación del ariete DTU, además de información caracterizada con el funcionamiento de los hydrams. Figura 2.34. Comparación de las bombas DTU respecto a otras bombas comerciales. [Fuente: Jeffery (1991)] 68 En la anterior gráfica y en el trabajo del que se extrae la misma, se puede observar como los valores del ariete de la Universidad de Warwick no tienen nada que envidiar a los obtenidos por hydrams provenientes de casas comerciales, lo que demuestra, como se ha comentado anteriormente, su aptitud para la posible fabricación en talleres locales, con un mínimo equipo, lo que conllevaría un abaratamiento considerable de la instalación al ahorrarse su compra y su importación. Número de bombas y tamaño de las mismas En función de las necesidades hidráulicas requeridas, de los parámetros característicos del lugar y de las características técnicas de la bomba elegida, se debe decidir, a su vez, el tamaño de los hydrams, y por ende, el número de ellos. Debido a que, normalmente, con la instalación de un único ariete hidráulico no se satisfacen las necesidades hidráulicas, se procede a instalar varios arietes. Existen dos formas de combinar las bombas de ariete, bien en serie o en paralelo. Figura 2.35. Disposición de las bombas de ariete. A la izquierda, disposición en paralelo. A la derecha, disposición en serie. [Fuente: Tacke (1988)] La disposición de las bombas de ariete dependerá de las condiciones del lugar a instalar. Así, en zonas donde el agua es abundante, o al menos no es muy escasa, y la demanda de agua es elevada, es recomendable utilizar hydrams en paralelo; sin embargo, en otras donde el agua sea un recurso escaso y la demanda no sea tan elevada, se utilizaría una disposición en serie con el objetivo de aprovechar el agua derramada por la válvula de impulso del ariete anterior (Chi, 2002). Se puede diseñar una instalación con una disposición en serie cuando por circunstancias orográficas no sea posible verter aguas abajo de la fuente de alimentación el fluido derramado por la válvula de impulso y es aprovechado, a su vez, para rellenar otro depósito que al mismo tiempo alimente a otro ariete hidráulico. Normalmente se pueden instalar tres hydrams en serie, aunque es 69 de señalar que el tamaño de los arietes sucesivos para este aprovechamiento será más pequeño (Chi, 2002) conforme se vaya avanzando en la serie. Sin embargo, la disposición más usada a la hora de realizar una estación de bombeo es la paralela, como consecuencia de que el poder de bombeo que tiene es enorme al multiplicar el caudal que se impulsa por el número de arietes, con un único limitante, la fuente de alimentación debe poseer el caudal suficiente como para abastecer a los hydrams instalados (Chi, 2002). Figura 2.36. Ocho bombas de ariete instaladas en paralelo en Dehradun, India [Fuente: Chi (2002)] Por ello, en función del número de bombas que dispongamos y ante las necesidades que se necesiten para un proyecto dado, corresponden un determinado tamaño de las mismas y viceversa (Watt, 1975). Los arietes hidráulicos son fabricados en un rango de tamaño que hace referencia al diámetro de la tubería de impulso que es utilizada, y algunas veces, a la dimensión del cuerpo del ariete. No son fáciles de clasificar puesto que la misma bomba de ariete puede ser usada para elevar agua a distintas alturas desde distintas cotas, por lo que la potencia desarrollada será singular para cada instalación. Y, normalmente, tienen una baja potencia, siendo de 10 a 500 wattios. Sin embargo, instalaciones con tuberías de impulso más grandes, 8”-12”, y por tanto hydrams mayores, pueden alcanzar varios kilowattios de potencia (Jeffery et al. 1992). Es conveniente remarcar que Jeffery et al. (1992) describen que el sistema de bombeo en el que se utilizan varias bombas de diámetro más pequeño, en vez de sólo un ariete hidráulico más grande, son más eficientes y tienen una serie de ventajas durante el funcionamiento en la instalación: Si el caudal de suministro decae como consecuencia de un periodo de sequía o por encontrarnos en la estación más seca del año se puede 70 parar alguna bomba con el objetivo de que la instalación siga en funcionamiento, aunque reduciendo el caudal de entrega. Igualmente, durante las tareas de mantenimiento, se pueden realizar sin desconectar la instalación completa, sino realizar estas labores de bomba en bomba. Las bombas de ariete más pequeñas son más fáciles de transportar a la hora de realizar una instalación nueva. Como norma general, se puede decir que las bombas de menor diámetro, por lo general, alcanzan una mayor cota de suministro. Sin embargo, es de señalar, que el coste inicial de la instalación puede ser mayor, debido fundamentalmente al mayor número de bombas empleadas, aunque estas sean de diámetro más pequeño. 2.8.3 Sistema de conducción El sistema de conducción es una parte de una instalación total de bombeo con un ariete hidráulico que recibe el fluido desde la fuente de alimentación y lo transporta hasta el hydram. Normalmente, consta de tres elementos, aunque depende de la situación general del lugar a instalar. Una tubería de alimentación transporta un determinado caudal desde la fuente de alimentación (río, acequia, depósito…) a un depósito intermedio y desde aquí, a través de la tubería de impulso, llega el agua a la bomba de ariete. Figura 2.37. Sistema de conducción típico en una instalación con bomba de ariete [Fuente: Jeffery et al. (1992)] Depósito intermedio de alimentación La construcción del depósito intermedio no se realiza en todos los proyectos de 71 bombeo con hydrams, y alimentan directamente la tubería de impulso de la fuente de alimentación. Sin embargo, es recomendable el erigirlo debido a que mientras el agua circula por un río o una acequia arrastra consigo pequeñas partículas que pueden provocar problemas, con el tiempo, en las tuberías. Al estancarse el agua en el depósito, y al disminuir notablemente su velocidad, dichas partículas se depositan en el fondo. Además, se mantiene un nivel de agua estable, asegurando un suministro regular y una altura de impulso constante, asimismo, se previene el que se introduzca aire en la tubería de impulso. Tubería de impulso La mayoría de las bombas están diseñadas para un diámetro de la tubería de impulso particular recomendado para usarlo bajo condiciones específicas. Por ello, la selección del diámetro de la tubería de impulso es el balance entre proporcionar un diámetro mayor con el objetivo reducir las pérdidas de carga del fluido o uno menor para que la velocidad del líquido sea mayor. Se demuestra que un diámetro menor procura mayor eficiencia a la bomba de ariete, sobre todo cuando se mueve en rangos críticos (pequeños caudales y gran altura, por ejemplo), como consecuencia de que la velocidad a la que atraviesa el fluido es mayor (Jeffery et al. 1992). A lo que también hay que sumar que el coste de la tubería será más económico, aunque si se escoge un diámetro demasiado pequeño, el rozamiento producido entre las paredes de la tubería y el fluido hará caer la eficiencia del hydram considerablemente (Watt, 1975). Sin embargo, y según apunta Thomas (1994) las pérdidas de carga ocasionadas en la tubería de impulso no deben superar el 5% de H y establece un diámetro máximo para cada caso: Para tuberías de impulso de acero, establece la siguiente relación:  ≤600 +ℎ Siendo: D: diámetro [mm] Q: caudal de alimentación [l/s] h: altura de descarga [m] Por otro lado, distintos autores también ponen límites a la longitud de la tubería de impulso, argumentando que una tubería de impulso corta provocaría una frecuencia en la operación muy alta, reduciendo considerablemente la eficiencia de la bomba de ariete y acortando la vida de la misma. (Jeffery et al. 72 1992). Mientras, por el contrario, una tubería de impulso demasiado larga operaría a menos golpes por minuto (Silver, 1977 y Lee, 2000), resultando ineficiente e innecesariamente cara, aunque pudiesen funcionar, en algunas situaciones, satisfactoriamente (Jeffery et al. 1992). Por ello, Jeffery et al. (1992) describen que como norma general, es recomendable que la longitud de la tubería de impulso sea de dos a cuatro veces la altura de caída, aunque nunca siendo menor de seis metros. Dicho valor es contradicho por De Jong (1988) quien establece que la longitud debería situarse entre cuatro y siete veces la altura de suministro. Sin embargo, Calvert (1958), Watt (1975) y Silver (1977) realizan una relación entre la longitud y el diámetro de la tubería de impulso para establecer el valor óptimo, situándolo en torno a 500: 150 <  <1000 Tabla 2.2. Relación entre el diámetro de la tubería de impulso y su longitud [Fuente: Hazarika (2007)] Otro aspecto a considerar o que se menciona en alguna publicación de manera más tímida es el ángulo que debe tener la tubería de impulso respecto a la horizontal, estableciendo un máximo de 20º (Ramón Chamba y Vallejo Herrera, 2005), aunque Jeffery et al. (1992) restan importancia a este aspecto al que adjetivan como “no crítico” y argumentan que es un aspecto que depende exclusivamente de las condiciones del lugar a instalar y que se solventa cumpliendo las condiciones anteriormente expuestas sobre la longitud de la tubería de impulso. La mayoría de los autores consultados, sin embargo, coinciden en que lo más recomendable es que la tubería de impulso se proyecte para que sea de acero galvanizado. La tubería de impulso es una parte clave en la instalación, siendo la responsable de transportar el agua desde la fuente de suministro al ariete 73 hidráulico, proporcionándole (como consecuencia de la diferencia de cotas) una velocidad capaz de hacer cerrar la válvula de impulso y de crear la sobrepresión (golpe de ariete). Por ello, la tubería de impulso debe ser fabricada de un material rígido, fuerte y resistente. Pero, además de poseer las anteriores características, el acero galvanizado es una muy buena opción porque, como se puede observar en la siguiente gráfica, y se ha explicado anteriormente, la celeridad guarda relación con las características de la tubería, y ésta es la que va a determinar el aumento del valor de la sobrepresión producida. Como bien apunta Watt (1975), una instalación ideal fabricada de materiales completamente rígidos y no elásticos, ante un caso de reducción instantánea de la velocidad, incrementaría la presión producida en comparación con la que se originaría con otros materiales. Figura 2.38. Relación entre la celeridad y el material de la tubería [Fuente: Benavides Muñoz (2008)] 2.8.4 Sistema de entrega Conecta la bomba de ariete con el lugar donde se va a almacenar el agua, normalmente, un depósito de descarga, a través de la tubería de descarga. Tubería de descarga Al igual que ocurre con las tuberías de impulso, el diámetro cuanto más grande sea, mayor será el precio de la tubería, aunque menores pérdidas de carga se producirán en la misma. Por lo que debe existir un balance entre un extremo y el otro, proponiendo Jeffery et al. (1992) que las pérdidas de carga en la tubería heavy duty ram, de 2”, y otros dos, de tipo “do it your self” de 1” y 2”. 2.9.9 Rife Hydraulic Engine Rife se funda en 1884 y desde ese año dedica sus esfuerzos a conseguir poder bombear agua sin necesidad de electricidad ni combustible. Es una empresa de gestión familiar desde sus inicios en la que comercializa y venden arietes hidráulicos, bombas de río o bombas de nariz. Disponen de dos prototipos de bombas de ariete: Davey Ram, el de la imagen de la izquierda y el Heavy Duty Universal Ram, el de la imagen de la derecha. De ambos disponen de varios tamaños, variando de 1” a 4” en el HTU y de 1” a 2” en el caso del Da vey Ram. 2.9.10 Centragua Centragua es una empresa dedicada a la venta de todo tipo de bombas para la elevación del sus repuestos y reparación, con más de 25 años en el mercado. Entre los disti ntos equipos que se comercializan están los Arietes hidráulicos, bombas manuales, bombas de diafragma, bombeadores y bombas centrífugas. Disponen de cuatro tamaños distintos de arietes hidráulicos, pudiendo ser de 1”, de 1.5”, de 2” y de 2.5”. 80 y otros dos, de tipo “do it your self” de 1” y 2”. Hydraulic Engine Nanticoke, Estados Unidos http://www.riferam.com/ en 1884 y desde ese año dedica sus esfuerzos a conseguir poder bombear agua sin necesidad de electricidad ni combustible. de gestión sus inicios en la y venden arietes hidráulicos, bombas de Disponen de dos prototipos de bombas de ariete: Davey Ram, el de la imagen de la izquierda y el Heavy Duty Universal Ram, el de la imagen de la derecha. De ambos disponen de varios tamaños, variando de 1” a 4” en el HTU y de 1” a vey Ram. Buenos Aires, Argentina http://www.centragua.com.ar/ es una empresa dedicada a la venta de todo tipo de bombas para la elevación del 0agua, sus repuestos y reparación, con más de 25 años en ntos equipos que se comercializan están los Arietes hidráulicos, bombas manuales, bombas de diafragma, bombeadores y bombas Disponen de cuatro tamaños distintos de arietes hidráulicos, pudiendo ser de 1”, de 1.5”, de 2” y de y otros dos, de tipo “do it your self” de 1” y 2”. Nanticoke, Estados Unidos http://www.riferam.com/ en 1884 y desde ese año dedica sus esfuerzos a conseguir poder Disponen de dos prototipos de bombas de ariete: Davey Ram, el de la imagen de la izquierda y el Heavy Duty Universal Ram, el de la imagen de la derecha. De ambos disponen de varios tamaños, variando de 1” a 4” en el HTU y de 1” a Buenos Aires, Argentina http://www.centragua.com.ar/ 81 2.10 Dos ejemplos de bombas de ariete en Huesca Han sido muchos los meses desde que empezamos a estudiar el funcionamiento del ariete hidráulico y desde entonces nos hemos cruzado con muchas personas que nos preguntaban interesadas “¿una bomba capaz de elevar agua sin necesidad de electricidad o combustible alguno?” como si fuéramos a descubrir algún proceso novedoso gracias a la nueva tecnología desarrollada hoy en día. Sin embargo, también nos hemos encontrado con otras que no solo conocían qué es un ariete hidráulico, sino que sabían de su funcionamiento e incluso de lugares donde está en funcionamiento. De este modo, decidimos visitar a dos personas que utilizan este método de bombeo cerca de la ciudad de Huesca e incorporarlo en el presente documento con la intención de demostrar que es una opción válida, y por eso en estos casos es la elegida, siempre que las condiciones sean las adecuadas y satisfagan nuestras necesidades hídricas. 2.10.1 Bomba de ariete en Belsué Belsué es un pueblo pequeño perteneciente al Ayuntamiento de Nueno, situado en la Comarca de La Hoya de Huesca a 25 kilómetros de la propia ciudad de Huesca en dirección norte. Figura 2.40. Situación geográfica de Belsué [Fuente: SIGPAC] Belsué cuenta con una población de 6 habitantes según el INE, aunque a diario puede ser que lo hagan menos. 82 Las condiciones de vida en este municipio de La Hoya de Huesca son duras, ya que Belsué no ha dispuesto de agua, de electricidad o de alcantarillado en sus casas hasta hace muy pocos años. De este modo, el agua para el uso doméstico debía ser acarreada desde la fuente a las propias casas, como ha ocurrido en el pasado reciente en la mayoría de los pueblos. Figura 2.41. Vista de Belsué [Fuente: http://www.huesca.com, revisada en Abril de 2013] Sin embargo, José María Aquilué, motivado por un amigo suyo, descendiente de Lacasta (Zaragoza) poseedor de una bomba de ariete para su abastecimiento de agua, optó también por este método de bombeo hace ya 35 años. Figura 2.42. José María Aquilué mostrándonos su instalación [Fuente: Propia] 83 Cuando valoraron la instalación del ariete hidráulico, decidieron fabricar su propia bomba de 1.5” con piezas soldadas debido a la experiencia y en el convencimiento de su viabilidad por parte del amigo de José María Aquilué. Figura 2.43. José María Aquilué mostrándonos su bomba de ariete [Fuente: Propia] La fuente de suministro está situada en un barranco que pasa al lado del pueblo, pero a gran altura del mismo, ya que como se puede apreciar en las fotografías anteriores, la orografía del lugar es contundente. Este barranco tiene agua durante todo el año y se aprovecha como caída de impulso una pequeña cascada que existe en un pequeño tramo en el cual el mismo cae unos 5 o 6 metros de altura en un pequeño espacio, como bien se estima en la posterior imagen. Con la altura de caída, unos 5 metros, la longitud de la tubería de impulso, 12 metros, 6 metros de 2” y los otros seis metros restantes de 1.5”, ha conseguido elevar agua a más de 80 metros de altura, a través de una tubería que tiene unos 200 metros de longitud, según el propio dueño. Además, asegura que el caudal elevado correspondía aproximadamente a 1 litro por minuto de bombeo. Con este caudal acumulado en depósitos, situados sobre la casa de José María, asegura haber suministrado agua más que suficiente, ya que posee un sistema para devolver el agua que no utiliza de nuevo al barranco, para el consumo doméstico y para sus animales, llegando a albergar un rebaño de 300 ovejas, además de otros animales que poseía para su alimentación, pero en mucha menor cantidad, como pueden ser gallinas y conejos. Además, el propio José María Aquilué explica, tal y como la bibliografía consultada asegura, que el mantenimiento ha sido mínimo durante estos 35 años, debido a la simplicidad aparente de la bomba. En este tiempo no ha sido 84 necesario cambiar ninguna pieza del ariete hidráulico y sólo ha requerido supervisión debido a que al introducirse alguna piedrecilla, hoja o palo en la tubería, saltándose el filtro, si esta queda atrapada en el lugar delimitado para la válvula de impulso, puede provocar el no cierre total de la misma y disminuir con ello notablemente la eficiencia. Pero es de señalar que este mantenimiento mínimo, muchas veces, no conlleva ni desmontar la propia válvula de impulso y simplemente abriéndola del todo, accionándola manualmente, se limpia de los posibles elementos que contenga gracias a la velocidad que alcanza el agua a través de la tubería. Figura 2.44. Tubería de impulso de la instalación [Fuente: Propia] Sin embargo, el pasado invierno, tras una intensa helada, la tubería de impulso se rompió como consecuencia del cambio de estado del agua, a hielo. Este hecho, unido a que en el pueblo, desde hace ya unos años, existe suministro de agua, ha provocado que José María Aquilué no piense en cambiar la tubería y, por ello, la bomba de ariete se encuentra actualmente parada. 2.10.2 Bomba de ariete en Siétamo Otro ejemplo de bombeo de agua con una bomba de ariete nos lo podemos encontrar en el término municipal de Siétamo. A orillas del río Guatizalema, Juan Escartín posee un huerto que en principio no podía ser regado sin el uso de una bomba de gasoil debido a que tanto la acequia como el río están por debajo del nivel de parcela y el agua no tiene salida hacia la misma. 85 Figura 2.45. Situación geográfica del ariete hidráulico de Juan Escartín [Fuente: SIGPAC] Sin embargo, gracias a la instalación de un ariete hidráulico en su huerto, es capaz de regar la parcela y de obtener agua para un merendero que posee en dicho lugar. Su parcela se encuentra entre el Río Guatizalema y una acequia, pero a una cota superior, como se ha comentado anteriormente y como se puede apreciar en la siguiente imagen. Figura 2.46. Esquema de la parcela de Juan Escartín [Fuente: Propia] Juan tiene una tubería que discurre desde la acequia hasta el río, que ha llenado previamente con agua. De esta manera, el agua va a circular de forma continua desde la acequia hasta el río. Una vez que llega el agua a la orilla del río, ha optado por instalar un ariete hidráulico, y de ahí elevar el agua a unos depósitos que tiene a un nivel 86 superior respecto al huerto y al merendero que allí posee para poder regar el huerto y obtener agua para el merendero por gravedad. Figura 2.47. Depósitos a los que bombea el agua para disponer de ella para el merendero posteriormente [Fuente: Propia] El ariete hidráulico que utiliza Juan Escartín para bombear agua a los depósitos es de fabricación propia mediante el acople de piezas de fontanería. Figura 2.48. Bomba de ariete de Juan Escartín [Fuente: Propia] Su bomba de ariete es de 1” y está fabricada con piezas de acero galvanizado roscadas, así como la tubería de impulso que hace llegar el agua de la acequia también es en su totalidad del mismo diámetro de plástico, salvo en los últimos tres metros en los que Juan ha instalado una tubería de hierro. Figura 2 Con la caída correspondiente es capaz de eleva r agua del orden de 2.3 litros por minuto con él, que en la actualidad tiene problema de almacenamiento debido a que no posee suficientes depósitos para almac ello debe mantener la mayoría del tiempo el ariete fuera de funcionamiento depósito rebosando. Dispone, en la actualidad el consumo de agua para e riego del huerto, enco ntr respecto a la bomba de ariete 87 2 .49. Juan Escartín junto a su ariete hidráulico [Fuente: Propia] Con la caída correspondiente y las condiciones explicadas , la bomba de ariete r agua de sobra para el merendero y el huerto 2.3 litros por minuto . Por ello, Juan apunta en la visita que tuvimos que en la actualidad tiene problema de almacenamiento debido a que suficientes depósitos para almac enar todo el agua que ello debe mantener la mayoría del tiempo el ariete fuera de funcionamiento en la actualidad , de cuatro depósitos de 200 litros en su parcela para el consumo de agua para e l merendero y un o de 1000 litros que utiliza para el ntr ándose situados a una altura de unos 5.5 respecto a la bomba de ariete , que se ubica a los pies del rio Guatizalema. , la bomba de ariete de sobra para el merendero y el huerto , bombeando . Por ello, Juan apunta en la visita que tuvimos que en la actualidad tiene problema de almacenamiento debido a que enar todo el agua que bombea y por ello debe mantener la mayoría del tiempo el ariete fuera de funcionamiento o el en su parcela para o de 1000 litros que utiliza para el unos 5.5 metros a los pies del rio Guatizalema. 88 89 3 - METODOLOGÍA simplemente cambiar su sentido para que el agua cierre la clapeta cuando llegue el agua del depósito de alimentación, y al instante, cuando la presión se disipa es capaz Figura 3.4. Válvula de impulso con una válvula no retorno tipo clapeta [Fuente: http://www.velomanindustrial.com/ · Modificación de una válvula no retorno tipo Kent (Anexo III) Figura 3.5. Válvula de i En el presente Proyecto Final de Carrera estudiaremos las tres opciones con el fin de obt ener un resultado satisfactorio, encontrar una que se adecue correctamente al funcionamiento del a imitada en otros trabajos o en aplicaciones a pequeña escala. 96 simplemente cambiar su sentido para que el agua cierre la clapeta cuando llegue el agua del depósito de alimentación, y al instante, cuando la presión se disipa es capaz de abrirse de nuevo. Válvula de impulso con una válvula no retorno tipo clapeta http://www.velomanindustrial.com/ , revisada en Abril de 2013 · Modificación de una válvula no retorno tipo Kent (Anexo III) Válvula de i mpulso modificando una válvula no retorno tipo Kent [Fuente: Propia] En el presente Proyecto Final de Carrera estudiaremos las tres opciones con el ener un resultado satisfactorio, encontrar una que se adecue correctamente al funcionamiento del a riete hidráulico para que pueda ser imitada en otros trabajos o en aplicaciones a pequeña escala. simplemente cambiar su sentido para que el agua cierre la clapeta cuando llegue el agua del depósito de alimentación, y al instante, cuando Válvula de impulso con una válvula no retorno tipo clapeta de 2013 ] · Modificación de una válvula no retorno tipo Kent (Anexo III) mpulso modificando una válvula no retorno tipo Kent En el presente Proyecto Final de Carrera estudiaremos las tres opciones con el ener un resultado satisfactorio, encontrar una que se adecue riete hidráulico para que pueda ser 97 Válvula de descarga Válvula no retorno que comunica el cuerpo del hydram con la tubería de descarga y la cámara de aire. Su apertura se produce como consecuencia de la sobrepresión ocasionada cuando la válvula de impulso se ha cerrado, permitiendo el paso del fluido hacia el depósito de descarga pero no su retorno hacia el cuerpo ariete hidráulico. Por lo tanto, esta válvula debe permitir el paso sólo en una dirección y poseer una gran sensibilidad a los cambios de presión con el objetivo de que el rendimiento del ariete no se pueda ver afectado como consecuencia de la fuerza de más que debería realizar el fluido para ocasionar la apertura de la válvula descrita. Como consecuencia, la válvula no retorno tipo clapeta va a ser la más aceptada a la hora de cumplir esta condición debido a la sencillez del diseño y a su gran sensibilidad para dejar ser atravesada por el fluido en dirección al vaso de expansión para ser bombeada al punto deseado. Figura 3.6. Válvula no retorno tipo clapeta [Fuente: http://www.velomanindustrial.com/, revisada en Abril de 2013] Además, es posible añadir en la misma, una válvula de purga de aire (descrita anteriormente como válvula de aire) acoplada a ella, con la finalidad de inyectar el posible aire que se haya podido disolver en el agua mediante este dispositivo con el fin de compensarlo. De tal forma que, gracias al efecto Venturi, cada vez que el fluido atraviesa la válvula de descarga, es succionada una pequeña cantidad de aire del exterior para asegurar que en el calderín siempre haya aire. De modo contrario, la cámara podría acabar saturada de agua, ocasionar progresivamente una disminución del rendimiento de la bomba y finalmente el paro de la misma. Sin embargo, en nuestro caso, se va a utilizar como cámara de aire un vaso de expansión, no siendo necesaria esta válvula debido a que este dispositivo posee una membrana en su interior que separa el agua del volumen de aire, impidi endo que se mezclen, y por lo tanto que este último sea disuelto en el agua. Figura 3.7. Válvula de purga de aire acoplada en una válvula no retorno Calderín o cámara de aire D ispositivo que regula el flujo de agua haci amortiguador al cont ene membrana. [Fuente: http://www.mecalia.com/ El aire contenido en el vaso de expansión forma continuada los progresivamente, durante todo el periodo de funcionamiento de la bomba, para obtener un flujo cu asi continuo. Además, tiene un efecto amortiguador al abso a las que se pueda ver sometido e consecuencia de que aunque los golpes sean constantes, pueden existir 98 endo que se mezclen, y por lo tanto que este último sea disuelto en el Válvula de purga de aire acoplada en una válvula no retorno [Fuente: Acitorés Martínez (2012)] o cámara de aire ispositivo que regula el flujo de agua haci a la tubería de descarga ene r un volumen de aire separado del fluido por una Figura 3.8. Vaso de expansión http://www.mecalia.com/ , revisada en Abril de 2013 ] contenido en el vaso de expansión ten drá la finalidad de recoger de golpes de cada ciclo y liberar toda esa energía, progresivamente, durante todo el periodo de funcionamiento de la bomba, para asi continuo. Además, tiene un efecto amortiguador al abso rber las posibles sobrepresiones a las que se pueda ver sometido e l ariete en instantes puntuales, como consecuencia de que aunque los golpes sean constantes, pueden existir endo que se mezclen, y por lo tanto que este último sea disuelto en el Válvula de purga de aire acoplada en una válvula no retorno a la tubería de descarga y sirve de separado del fluido por una ] drá la finalidad de recoger de toda esa energía, progresivamente, durante todo el periodo de funcionamiento de la bomba, para rber las posibles sobrepresiones l ariete en instantes puntuales, como consecuencia de que aunque los golpes sean constantes, pueden existir 99 sobrepresiones mayores que otras. Normalmente, en la mayoría de los arietes que se pueden observar y de los trabajos que se pueden estudiar, se usa como cámara de aire una tubería de un diámetro y longitud mayor que el cuerpo del ariete con el objetivo de crear un espacio que no sea conquistado por el fluido donde exista un determinado volumen de aire que ejerza estas funciones. Sin embargo, Juan Escartín considera el vaso de expansión una buena opción, incluso por encima de la dada por la mayoría de los trabajos donde una tubería de mayor diámetro es la elección preferida. De este modo, el problema de que el aire contenido en el calderín pueda ser disuelto en el agua bombeada pierde trascendencia debido a que la membrana que dispone este dispositivo lo impide. 100 3.2 Caracterización hidráulica de la bomba de ariete En el presente apartado se trata de explicar cómo se han realizado las pruebas a la que ha sido sometida la bomba de ariete construida anteriormente con el afán de obtener una serie de resultados que nos servirán para comparar su comportamiento respecto a otros arietes hidráulicos. En la caracterización de la bomba de ariete, se realizarán una serie de ensayos en unas determinadas condiciones que se detallarán a continuación en el que se variará la altura de elevación, con el ánimo de prestar atención al hecho de cómo el caudal elevado no es el mismo a una altura que a otra, disminuyendo conforme aumenta la altura y el efecto del rendimiento conforme a dicha variación. Además, también se establecerá cual de las tres válvulas de impulso es la adecuada en este caso. 3.2.1 Diseño y montaje de la instalación La caracterización hidráulica de nuestra bomba de ariete se ha realizado en la cara sur-oeste del edificio Guara de la Escuela Politécnica Superior de Huesca. Figura 3.9. Lugar de la EPSH donde se ha realizado la caracterización hidráulica [Fuente: http://www.ciencias.unizar.es/, revisada en Abril de 2013] Depósito de alimentación El depósito de alimentación es el lugar desde donde se va a canalizar el agua en sentido a la bomba de ariete para que posteriormente sea impulsada al punto elegido. 101 Para ello se ha elegido una garrafa de 25 litros a la que se le ha realizado una perforación en la parte inferior por la cual va conectada la tubería de impulso al depósito de alimentación, además de una obertura en la parte superior para introducir la manguera que va a llenar el depósito, con el fin de mantener una altura constante para que la presión también lo sea. Figura 3.10. Depósito de alimentación [Fuente: Propia] El hecho de que en la imagen anterior se observen más garrafas es porque, al contrario de lo que pensábamos, el caudal que atraviesa la manguera naranja que es la que abastece al depósito de agua y que viene desde los baños, es menor a la descargada a través de la tubería de impulso durante el funcionamiento de la bomba de ariete, por lo que debían estar las garrafas de 25 litros adyacentes llenas de agua para ir vertiendo el fluido en el depósito de alimentación, y así con ayuda de la manguera, mantener el nivel de altura constante, es decir, rebosando. A su vez, y como se puede apreciar en la fotografía anterior, el depósito de alimentación se ha situado, para la caracterización hidráulica en el puente que da acceso al edificio, concretamente en el tercer escalón del mismo, encontrándose a una altura de 3.30 metros sobre la bomba de ariete. Tubería de impulso La tubería de impulso constituye un componente muy importante dentro de la instalación debido a que de ella van a depender diversos factores, y por lo tanto, el resultado de los ensayos. Pudimos observar y nos comentó José María Aquilué, propietario de la bomba de ariete de Belsué (Huesca) más tarde, después de realizar la caracterización hidráulica de nuestra bomba de ariete, el largo tiempo que les llevó el poner en 102 marcha definitivamente su ariete hidráulico debido a que no terminaban de acertar con la instalación de la tubería de impulso. Más de un año de pruebas. En el cual, al principio tenían una tubería de impulso más corta y con mayor inclinación, y a base de pruebas, finalmente, la tubería era de 12 metros de longitud, de los cuales los 6 metros primeros son de 2” y los 6 metros restantes son de 1,5” consiguiendo bombear el agua a más de 80 metros de altura. Este apunte es una reflexión para ver lo caprichosa que puede ser la bomba de ariete pero como pensando y cambiando algunos factores podemos conseguir nuestro objetivo. La tubería de impulso va a transportar el agua, convirtiendo la energía potencial del fluido en energía cinética, hacia la bomba de ariete, a una velocidad determinada dependiente del diámetro de la tubería y de la altura del nivel de agua en el depósito de alimentación. Figura 3.11. Tubería de impulso [Fuente: Propia] Se decidió finalmente que la tubería de impulso fuera de acero galvanizado, debido a que como se ha explicado anteriormente en el presente Proyecto Final de Carrera, dicho material favorece que la onda de presión sea mayor que con otros materiales, por lo que la sobrepresión generada en el golpe de ariete debiera ser mayor; de 5 metros de longitud, mediante el acople de cinco nipples de acero galvanizado de 1 metro cada uno y de 1” de diámetro el conjunto de la tubería. Bomba de ariete La bomba empleada en la caracterización hidráulica ha sido la construida para el Proyecto, con alguna modificación para observar su comportamiento durante los ensayos. A la misma, descrita en el Anexo I, se le han acoplado dos manómetros con la intención de poder observar cómo va variando la presión del fluido respecto al tiempo en el lugar correspondiente. 103 Se decidió colocar un manómetro en el cuerpo del ariete, entre la válvula de impulso y la de descarga para ver la sobrepresión producida en el cuerpo del ariete cuando se produce el golpe de ariete al cierre de la válvula de impulso. También se decidió colocar otro antes de la tubería de descarga con el fin de tener una idea de a qué altura puede ser bombeada el agua teniendo una relación de presión con altura. Figura 3.11. Bomba de ariete con los manómetros y la válvula de impulso tipo Kent [Fuente: Propia] La bomba de ariete se ha instalado en el foso que rodea al edificio con la finalidad de obtener esos 3.30 metros de altura en relación al depósito de alimentación. Para garantizar la sujeción del ariete hidráulico se ha optado por soldar una pieza que lleva en la parte superior una abrazadera que podemos adaptar al cuerpo de la bomba para que quede, además de sujeta, en alto, con el fin de poder recoger el agua desperdiciada para poderla medir posteriormente. Tubería de descarga La tubería de descarga va a ser el medio físico por el que el agua va a ser bombeada desde el ariete hidráulico hasta el punto indicado como lugar de descarga. Es el único parámetro que va a variar de los elementos componentes de la instalación de la bomba de ariete, para lo que aprovecharemos las distintas plantas del edificio de la Escuela Politécnica Superior de Huesca. Se trata de una tubería de PE de 25 metros de longitud y de media pulgada de diámetro para que las pérdidas de carga en la misma sean casi despreciables. 104 Figura 3.12. Tubería de descarga [Fuente: Propia] 3.2.2 Técnica de medida empleada en la caracterización hidráulica En este punto se van a detallar los elementos de medida de los cuales se han servido para realizar la caracterización hidráulica en la EPSH. · Recipiente para la recogida sobrante del agua: la bomba de ariete, durante su funcionamiento, expulsa un determinado caudal de agua que no va a ser bombeado. Este caudal lo recogeremos y se contabilizará con dicho recipiente. Figura 3.14. Recipiente utilizado para la recogida del agua sobrante [Fuente: Propia] 105 · Garrafas de 2 y 5 litros con marcas cada 0,5 litros para verter y medir el caudal derramado. Figura 3.14. Garrafas de 2 y 5 litros empleadas durante la caracterización hidráulica [Fuente: Propia] · Vaso de precipitados que se emplea para medir el caudal bombeado debido a que es un caudal mucho menor y requiere ser mucho más exhaustivo. · Cronómetro para marcar un tiempo definido y que todas las muestras tengan la misma duración. · Cámara de fotos y de video con la intención de realizar fotos y videos durante la caracterización hidráulica tanto para incluirlas en el presente Proyecto Final de Carrera como para observar el comportamiento del ariete en casa más detenidamente. 3.2.3 Procedimiento realizado durante la caracterización hidráulica 1.- Se rellena el depósito de alimentación hasta que rebose, así como las garrafas que se encuentran en dicho lugar para ayudar a la manguera suministradora y que la presión varíe lo menos posible, intentando tener una altura constante. 2.- Se deja funcionar libremente la bomba de ariete un tiempo no determinado hasta que la tubería de polietileno empieza a descargar el agua, y se observa un ciclo continuo y estable. 3.- A continuación, se recoge, durante 30 segundos, por un lado, el agua bombeada en un vaso de precipitados y el agua derramada por la 112 4.2 Efecto de la altura de elevación La altura de elevación, h, tiene una importancia mayúscula a la hora de poder bombear agua, influyendo notoriamente en el caudal elevado, así como en el rendimiento. Manteniendo las condiciones iniciales y empleando la válvula de impulso que funcionó en el ensayo previo a la caracterización hidráulica, se variaron las distintas alturas de bombeo para observar cómo variaba el caudal elevado. Condiciones iniciales: Altura de suministro: 3,30 m. Longitud de la tubería de alimentación: 5 m. Diámetro de la tubería de alimentación: constante: 1”. Válvula no retorno tipo Kent modificada como válvula de impulso. Alturas de elevación: se prueba a bombear el agua desde el depósito de alimentación a tres alturas distintas, tomando como cero para todas las medidas siguientes la bomba de ariete, es decir, el foso del edificio de la Escuela Politécnica Superior de Huesca: Primer piso del edificio Guara de la EPSH, aulas: 5 metros. Segundo piso del edificio Guara de la EPSH, laboratorios: 9 metros. Azotea del edificio Guara de la EPSH: 17 metros. 4.2.1 Resultado experimental Para 5 metros de altura: Caudal elevado: 0.65 litros en 30 s. Caudal derramado: 10 litros en 30 s. Caudal suministrado: 10.65 litros en 30 s. Rendimiento: 9.25%. Para 9 metros de altura: Caudal elevado: 0.26 litros en 30 s. Caudal derramado: 8 litros en 30 s. Caudal suministrado: 8.26 litros en 30 s. 113 Rendimiento: 9.54%. Para 17 metros de altura: Caudal elevado: 0 litros Los resultados obtenidos dibujan una serie de gráficas en las que podemos observar la tendencia de la bomba de ariete y su comportamiento frente a la variación de la altura de bombeo. Figura 4.1. Relación entre el caudal elevado o bombeado y la altura de descarga [Fuente: Propia] Figura 4.2. Relación entre caudales respecto a la relación de alturas [Fuente: Propia] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 5 10 15 20 Caudal elevado, q (l/min) Altura elevada, h (m) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0123456 Relación de caudales, q/Q Relación de alturas, h/H 114 Las anteriores gráficas relacionan, por un lado, el caudal bombeado, expresado en litros/minuto, en relación a la variación de la altura de elevación y, por el otro, una relación de caudales respecto a la relación de alturas de bombeo. Del mismo modo, y aplicando la fórmula para hallar el rendimiento de la bomba de ariete, es interesante, a su vez, hacerla visible, con el ánimo de observar la tendencia que adquiere el rendimiento del ariete hidráulico respecto a la altura bombeada. Figura 4.3. Relación de la altura bombeada o elevada con el rendimiento de la bomba de ariete [Fuente: Propia] 4.2.2 Resultado teórico: Análisis teórico del golpe de ariete Figura 4.1. Esquema de las condiciones dadas en la caracterización hidráulica [Fuente: Propia] Para calcular estos datos, deberemos saber el caudal que circula por la tubería 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 Rendimiento (%) Altura elevada, h (m) 115 y para ello se debe conocer q y Q w , por lo que tomaremos el caso en el que el agua es elevada 9 metros de altura, aunque se podría elegir perfectamente el anterior dato, cuando es elevada a 5 metros, quedando: Q w : 8 litros en 30 s. = 16 litros/min q: 0.26 litros en 30 s. = 0.52 litros/min Q: 8.26 litros en 30 s. = 16.52litros/min La sobrepresión producida por el fenómeno conocido como golpe de ariete viene dada por la fórmula de Allievi: ∆=    16.52    10   60=2.75 10      =   =  2  =  25.4 10  2  =5.07 10    = 1440 1+= 1440 1+2.74 10  200 10  2.54 10  3.25 10  =1384.98  ⁄ =  →= = 2.75 10  5.07 10  =0.54  ⁄ ∆=   = 1384.98·0.54 9.81 =76.23  Los manómetros durante la caracterización hidráulica marcaban unos 20 - 25 metros columna de agua y la sobrepresión teórica dada por la fórmula de Allievi da como resultado más de 76 metros. 4.2.3 Discusión A la vista de los resultados experimentales está que el rendimiento de la bomba de ariete y, por lo tanto, el caudal bombeado, ha sido deficiente. Nuestra misión, ahora, radica en descubrir, al menos, dónde se ha podido cometer algún error que haya implicado estos resultados. 116 Por ello, valorando y examinando vista atrás el comportamiento de la bomba de ariete y contraponiéndolo a los estudios teóricos, podemos exponer que se han producido los siguientes aspectos que han podido influir en la eficiencia del ariete hidráulico: Fallo en la válvula de impulso Observamos durante la caracterización hidráulica que, aunque la válvula de impulso modificada de una válvula no retorno tipo Kent nos funcionó, ésta no cerraba del todo y cuando presuntamente se debía encontrar la válvula cerrada, no lo estaba por completo. Esta situación provoca que no se produzca tal magnitud teórica de sobrepresión ya que sirve como escape y ésta se disipa más fácilmente. Además, recordamos como José María Aquilué, propietario de la bomba de ariete de Belsué, nos comentó que si la válvula de impulso no cerraba en algún momento bien, completamente, por cualquier motivo, en su caso, pequeñas obstrucciones con piedrecitas, palitos, etc., el rendimiento caía de forma muy considerable y el agua no llegaba al depósito de descarga. Cierre lento de la válvula de impulso Una vez calculada la sobrepresión teórica producida por el fenómeno del golpe de ariete, se procede a calcular el tiempo de cierre crítico de la válvula de impulso para ver si se trata de un cierre rápido o lento.   = 2= 10 1384.98=7.22 10   Calculado el tiempo crítico, se debe comparar con el tiempo que toma la válvula de impulso en cerrarse completamente y relacionar ambos: Si: t c > t cierre = cierre rápido de la válvula de impulso t c < t cierre = cierre lento de la válvula de impulso Aunque no lo sabemos a ciencia cierta ya que no tenemos la capacidad técnica de medir el tiempo real de cierre de la válvula de impulso, presuponemos, que el tiempo de cierre de la válvula de impulso es mayor al tiempo crítico de cierre. Por ello, suponemos que t cierre > t c Esto tiene una consecuencia inmediata y es que la sobrepresión real producida por el golpe de ariete va a ser menor que la sobrepresión teórica dada por la fórmula de Allievi, como bien hemos podido comprobar durante su funcionamiento. 117 ∆  < ∆  Pero, ¿cómo se podría solucionar este problema para que el tiempo crítico de cierre fuese mayor que el tiempo real de cierre de la válvula de impulso? Según la fórmula del tiempo crítico de cierre:   = 2 La celeridad de la onda en la caracterización hidráulica realizada es correcta, de hecho, es elevada, ya que al usar materiales de acero hacen que la misma adquiera un valor alto. Sin embargo, hay otra variable, la longitud de la tubería, que adquiere cierto protagonismo, ya que si esta se aumenta, el valor del tiempo crítico de cierre de la válvula de impulso aumentaría. Baja sobrepresión producida en el cuerpo del ariete La sobrepresión producida en el cuerpo de la bomba de ariete viene dada por la fórmula vista anteriormente: ∆=    Observando la fórmula, se puede deducir fácilmente que la sobrepresión producida depende de dos variables fundamentales, ya que la gravedad es un valor constante y será siempre, para todos los casos, el mismo. Depende, pues, fundamentalmente, de la celeridad de la onda y de la velocidad. En nuestro caso y como hemos dicho anteriormente, estamos conformes con la celeridad producida durante la caracterización hidráulica, por lo que el factor discordante será la velocidad del agua en la tubería y en el cuerpo del ariete. El valor de la velocidad del fluido en la tubería de impulso lo consideramos baja. Puede ocurrir por varios motivos, aunque creemos que puede ser consecuencia de que la válvula, cuando se encuentra abierta, no deje escapar todo el agua que debiera salir por lo que evita en cierta medida la aceleración de la misma en la tubería; o bien, porque el tiempo de apertura de la válvula de impulso sea bajo, situación que viene determinada por el peso de la última y por la carrera que tenga para desplazarse sobre el vástago. Bomba de ariete casera Además de los anteriores errores o comportamientos no deseados, es de recordar que se trata de una bomba de ariete construida con piezas roscadas de fontanería, cuyo uso comercial no está destinado a la construcción de arietes hidráulicos, ni son fáciles de modificar, como se ha observado en el 118 caso de las válvulas de impulso, siendo fabricadas para un uso concreto, por lo que el rendimiento que podemos esperar no se podría, en principio, comparar con el de un ariete hidráulico comercial. 119 5 - APLICACIÓN DE UNA BOMBA DE ARIETE A UNA FINCA AGRÍCOLA 120 121 5.1 Consideraciones previas Ya desde que se comenzó el presente Proyecto Final de Carrera, se tuvo muy en cuenta que sería de gran interés realizar un pequeño caso práctico en el que se mostrara, al menos, un lugar, cercano a la ciudad de Huesca, que cumpliera con los requisitos para la instalación de una bomba de ariete. Los alrededores de la ciudad de Huesca presentan un relieve semi-montañoso, en el que hay posibilidades reales, sobretodo más hacia el norte de la Provincia, de instalación de arietes hidráulicos, por lo que no fue difícil encontrar un sitio adecuado para ello. Figura 5.1. Lugar donde se pretende realizar el caso práctico, en el término municipal de Igriés [Fuente: Propia] Este caso práctico va a ser ficticio, lo que implica que la bomba de ariete no va a ser instalada en dicho lugar, ni se va a probar en esas circunstancias. Para la realización de la aplicación nos basaremos en datos técnicos suministrados por empresas comerciales de arietes hidráulicos y de bombas convencionales de combustible fósil. Con unas condiciones existentes, en las que realmente existe un salto de agua y una parcela a mayor cota que el punto de alimentación, y la cual no es regada mediante ninguna otra técnica, siendo catalogada como de secano, se va a usar la bomba de ariete para suministrar el agua a la misma. 128 5.3 Cálculo teórico Una vez explicadas las consideraciones previas sobre el estudio de aplicación de la bomba de ariete en una finca agrícola y habiendo observado las posibilidades de bombeo que existen, o que hemos tomado en cuenta, se procede a calcular, de forma estimativa, en este capítulo, el caudal que sería elevado usando este sistema de bombeo en las condiciones descritas. Para ello, hay que tomar unos valores técnicos de la bomba de ariete a instalar, los cuales deben ser facilitados por el fabricante o la empresa comercializadora, y aplicarlos a las condiciones del medio definidas. De este modo, en el presente estudio de aplicación se ha optado, por escoger un ariete comercial, de la empresa Blake Hydram, del que se poseen esos datos, por ser una empresa de localización relativamente cercana a donde nos encontramos. Normalmente, cada una de las empresas, realiza una caracterización hidráulica propia de sus bombas de ariete facilitando una serie de tablas a sus clientes con sus características técnicas. Siendo muy común que ofrezcan una tabla en la cual se muestra la relación entre las distintas alturas de trabajo y el caudal descargado en 24 horas por litro y minuto de agua suministrada. Tabla 5.1. Litros bombeados en 24 horas suministrando un caudal de 1 litro por minuto en un ariete hidráulico de la empresa Blake Hydram [Fuente: http://www.allspeeds.co.uk , revisada en Abril de 2013 ] Según la anterior tabla, y dado el supuesto de que se quiera bombear agua a 20 metros de altura, lugar donde se encontrará el depósito de descarga, y asumiendo una altura de caída de 2.5 metros, corresponderá, según el fabricante, un caudal de 100 litros bombeados en 24 horas si discurre un litro por minuto durante la impulsión. 129 Una vez se conoce el valor precedente, corresponde conocer cuál va a ser el tamaño de la bomba de ariete debido a que el caudal de suministro va a depender del mismo, siendo mayor dicho valor cuanto mayor sea su dimensión. De esta manera, en la tabla siguiente se ofrece, a cada tamaño de bomba de ariete, un intervalo del posible caudal de suministro, para así conocer el caudal que va a ser bombeado hasta el depósito de descarga a una altura dada y con una bomba de ariete determinada elegida. Tabla 5.2. Relación de los caudales de suministro con el tamaño de la bomba de ariete para los arietes hidráulicos de la empresa Blake Hydram. [Fuente: http://www.allspeeds.co.uk , revisada en Abril de 2013 ] Por ello, y según la tabla anterior, si se elige una bomba para el abastecimiento de la balsa de descarga de 3”, van a circular a través de la tubería de impulso, de 50 mm. de diámetro, un rango de 27 a 55 litros por minuto de agua. Como el intervalo ofrecido, de 27 a 55 litros por minuto, es muy amplio, es conveniente tomar un valor medio que será: 41 litros por minuto. De esta forma, conociendo el caudal bombeado durante 24 horas si el caudal suministrado es de un litro por minuto y el caudal suministrado durante un minuto en función de la bomba escogida, se puede estimar tanto el caudal por segundo elevado para esas condiciones como el caudal bombeado por año. 1                      100 24ℎ  41                         24ℎ  =4100 24 ℎ  Según los datos facilitados por la empresa Blake Hydram y realizando los cálculos como establece, una bomba de ariete de 3”, bombearía, en las condiciones establecidas, aproximadamente 4100 litros en 24 horas de funcionamiento, es decir, unos 47 ml cada segundo. 130 5.3.1 Cálculo teórico para la Parcela 1 Siguiendo las pautas del anterior supuesto explicado, se va a elegir, a continuación, tanto el tamaño como el número de bombas de ariete que se deben instalar para, en las condiciones dadas, cumplir con el caudal necesario para el riego de los almendros mediante la técnica de riego deficitario controlado. Características de la Parcela 1: Cota máxima: balsa de descarga: 630 m.s.n.m. Superficie: 2.68 ha. Caudal necesario: 2680 m 3 /año. Cota del punto de suministro: 615 m.s.n.m. Cota de la bomba de ariete: 609 m.s.n.m. La caída de trabajo, o altura de suministro, son 6 metros, y la de elevación, 20 metros, así, y según se muestra en la tabla 5.1, corresponde un caudal de 282 litros en 24 horas por litro de agua suministrado por minuto. Haciendo pruebas con distintos tamaños de bombas de ariete y considerando que es preferible instalar varios arietes en paralelo en vez de uno solo grande, como bien apunta Jeffery et al. (1992), se decide instalar una bomba de ariete de 2” y otra de 1”. En los cálculos siguientes, durante el estudio de aplicación de la bomba de ariete se va a aplicar un factor del 90% como el tiempo que va a encontrarse en funcionamiento el ariete hidráulico, considerando que pueden existir momentos en los que por mantenimiento o por filtración de ciertos elementos en la conducción, pueda pararse la bomba. Con la bomba de ariete de 1”: Caudal de suministro medio por minuto: 11.5 1                      282 24ℎ  11.5                      24ℎ  =3243 24 ℎ  3243 24ℎ  ·0.90 = 2918.7 24ℎ  2918.7  1 í 365 í 1 ñ 131 1065325.5 ñ =1065   ñ  Con la bomba de ariete de 2”: Caudal de suministro medio por minuto: 18.5 1                      282 24ℎ  18.5                      24ℎ  =5217 24 ℎ  5217 24ℎ  ·0.90 = 4695.3 24ℎ  4695.3  1 í 365 í 1 ñ 1713784.5 ñ =1713   ñ  Caudal suministrado por año con las dos bombas de ariete en la Parcela 1 con las condiciones iniciales:   " +   " = 1065   ñ + 1713   ñ   =2778   ñ  La Parcela 1 tiene 2.68 ha. por lo que un caudal de próximo a 2778 m 3 /año cumple con la proporción de regar mediante riego localizado una hectárea de almendro con 1000 m 3 /año de agua mediante la técnica de riego deficitario controlado. 5.3.2 Cálculo teórico para la Parcela 2 La Parcela 2, en cambio, tiene una extensión mucho mayor que la anterior Parcela 1, y además, una cota mayor, por lo que acorde a lo que se ha comentado anteriormente, se necesitarán, en proporción, un mayor número de bombas de ariete, y estas a su vez de mayor tamaño para cumplir con las necesidades hídricas de la parcela acordadas. Características de la Parcela 2: Cota máxima: balsa de descarga: 653 m.s.n.m. 132 Superficie: 11.23 ha. Caudal necesario: 11230 m 3 /año. Cota del punto de suministro: 615 m.s.n.m. Cota de la bomba de ariete: 609 m.s.n.m. La altura de impulso de la instalación sigue siendo la misma, 6 metros aproximadamente, sin embargo, la diferencia de cotas cambia a 44 metros. No obstante y como no corresponde ningún valor para una altura de elevación de 44 metros respecto a la bomba de ariete, y por tratarse de un valor orientativo, se va a realizar la media entre el valor de la altura de 40 y el de 50 para estimar el caudal elevado en 24 horas con un litro por minuto de suministro a la altura de 44 metros. Dicho valor es: 126. Como el valor del caudal calculado es pequeño, como consecuencia de la diferencia de cotas de desnivel, el caudal elevado con un único ariete será pequeño por lo que será conveniente elegir bombas de ariete de mayor diámetro. Con una bomba de ariete de 3.5”: Caudal de suministro medio por minuto: 70.5 1                      126 24ℎ  70.5                      24ℎ  =8883 24 ℎ  8883 24ℎ  ·0.90 = 7994.7 24ℎ  7994.7  1 í 365 í 1 ñ 2918065.5 ñ =2918   ñ  Si una bomba de ariete de 3.5” consigue elevar del orden de 2918 m 3 /año, y necesitamos descargar un mínimo de 11230 m 3 /año para cumplir la relación marcada en las necesidades hídricas para regar los almendros con la técnica de riego deficitario controlado, se necesitarán: 11230   ñ  2918   ñ  =3.85 133 Por ello, según los datos facilitados y las condiciones dadas, para ser capaces de suministrar el caudal requerido a la Parcela 2, se necesitan 4 bombas de ariete, de 3.5” cada una, dispuestas en disposición paralela. 134 5.4 Estudio comparativo con una bomba convencional Estudiado el número de bombas de ariete y el tamaño del que deben ser para abastecer de agua las parcelas descritas anteriormente, se considera de interés el realizar un estudio general orientativo entre una bomba de ariete y otra convencional, de gasolina, para abastecer la Parcela 2, la cual normalmente sería la empleada para bombear el agua al depósito de descarga, situado en la cota más alta de la parcela. Se recuerdan las condiciones dadas para la Parcela 2: Cota máxima: balsa de descarga: 653 m.s.n.m. Superficie: 11.23 ha. Caudal necesario: 11230 m 3 /año. Cota del punto de suministro: 615 m.s.n.m. 5.4.1 Selección de la bomba convencional Teniendo en cuenta los anteriores datos facilitados y observando que la diferencia de cotas entre el punto de suministro, la acequia, y la balsa de descarga es de aproximadamente 40 metros, se ha seleccionado como bomba convencional una motobomba de gasolina de 4 tiempos de la marca Mitsubishi, modelo SERM 50-V. Figura 5.7. Motobomba Mitsubishi modelo SERM 50-V [Fuente: http://www.campeon.es, revisada en Abril de 2013 ] Esta bomba, al igual que los arietes hidráulicos, posee una serie de tablas, suministradas por el fabricante. Por un lado, las características técnicas de la 135 motobomba; y por el otro, una relación del caudal entregado, expresado en litros por minuto, en función de la altura de descarga. Tabla 5.3 y 5.4. Características técnicas de la motobomba y relación entre el caudal entregado y la altura manométrica. [Fuente: http://www.campeon.es, revisada en Abril de 2013 ] 5.4.2 Cálculo teórico Según la tabla anterior, en la que se relaciona el caudal entegrado y la altura manométrica, el fabricante establece que, aproximadamente, para una diferencia de cotas de 40 metros de altura, se bombean en torno a 15600 litros por hora de funcionamiento de la bomba seleccionada. 136 ∆=40                15600 ℎ  Conocidos los litros por hora que eleva la bomba convencional a la balsa de descarga, se debe estimar el tiempo, en horas, que toma la misma en bombear el caudal requerido. 11230   ñ  15.6   ℎ =719.87 ℎñ  El caudal bombeado cumple perfectamente con el caudal requerido ya que un año posee muchas más horas que las que le cuesta a la motobomba elevar el agua a la Parcela 2, sin embargo, para el estudio comparativo entre los dos sistemas de bombeo interesa saber cuántas horas le lleva porque el consumo de gasolina que conlleva no es indiferente tratándose de un valor o de otro. Por ello, a falta del conocimiento fehaciente del consumo de gasolina que requiere la bomba Mitsubishi, modelo SERV 50-V, se establece una relación entre el concepto de potencia y el consumo de gasolina. =   6         4410 =4410  Un litro de gasolina proporciona al arder 34.78 megajulios: 1                34.78·10   34.78·10   4410  = 7886    7886  ≅2.19 ℎ   Un litro de gasolina proporciona, pues, energía durante 2.19 horas. 719.87 ℎñ  2.19 ℎ   =328.71   ñ  Considerando, que a día 30 de Abril de 2013, un litro de gasolina sin plomo 95, cuesta 1.488 €/litro: 328.71   ñ  ·1.488 €  =489.12 €/ñ 137 5.4.3 Bomba de ariete vs bomba de gasolina Según los datos obtenidos a través de las tablas ofrecidas por los fabricantes y las condiciones de la Parcela 2, se puede establecer que para elevar el caudal necesario para el riego de almendros mediante la técnica de riego deficitario controlado, se necesita, o bien, 4 bombas de ariete Blake de 3.5” cada una o una bomba Mitsubishi, modelo SERV 50-V, trabajando casi 720 horas al año. Bomba de ariete Blake de 3.5”: Para el presente estudio comparativo entre una bomba de ariete y una bomba convencional de gasolina no se ha podido conocer el precio actual de la bomba. Sin embargo, un estudio de Jeffery (1991), en el que hace una comparativa entre los arietes hidráulicos DTU y los comerciales, establece un precio, que será el que fijaremos en el presente documento, a falta de no tener otro con el que trabajar. La bomba de ariete de 3.5” Blake, en dicho trabajo realizado por Jeffery (1991), establece que el ariete hidráulico tiene un precio de 1500 $ (1145.88 €). Estimando que el mantenimiento del ariete hidráulico es mínimo, se va a establecer un porcentaje de un 1% del valor inicial para compensar esta serie de gastos. Bomba convencional Mitsubishi, modelo SERV-50: Este modelo de motobomba cuesta, según el fabricante consultado, 989.90 €. Al igual que en el caso anterior, se va a establecer un porcentaje de un 3% del coste inicial en el mantenimiento de la misma. Además, a los costes iniciales, se le deben sumar, cada año, el saldo invertido en gasolina para hacer funcionar la motobomba, que asciende a 489.12€. Con estos datos estudiados encima de la mesa, se puede establecer una relación entre ambos sistemas de bombeo y observar lo que ocurre. Al inicio, la inversión es considerablemente más elevada, en torno a casi tres veces más, en una instalación con bomba de ariete que en una instalación con bomba convencional, como consecuencia del elevado coste de las bombas de ariete en sí. Sin embargo, Jeffery (1991), asegura en su trabajo que se puede disminuir el coste inicial si se utiliza una bomba DTU. Este tipo de bombas de ariete, como explicamos en apartados anteriores, diseñadas por una serie de investigadores 144 145 Acitores Martínez, F. J. (2012) Estudio teórico y experimental de la bomba de ariete. Directores: Pablo Martínez-Legazpi Aguiló y Ulpiano Ruiz-Rivas Hernando. Proyecto Final de Carrera. Escuela Politécnica Superior. Universidad Carlos III de Madrid. España. Afif Khouri, E. (2004) Apuntes de Hidráulica para explotaciones forestales. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Oviedo. Agencia de Cooperación Internacional del Japón (2012) Estudio de Promoción y Difusión de Buenas Prácticas “Bomba de Ariete” del Proyecto Tawan Ingnika. Arviza Valverde, J., Balbastre Peralta, I. y González Altozano, P. (2002) Ingeniería Rural: Hidráulica. Ediciones de la Universidad Politécnica de Valencia. Awoke Tessema, A. (2000) Hydraulic Ram Pump System Design and Application. Azoury, P. H. (1992) Engineering Applications of Unsteady Fluid Flow. Wiley Editorial. Benavides Muñoz, H. (2008) Descripción y efectos del golpe de ariete. Protección de líneas hidráulicas. Apuntes de la asignatura Hidráulica de tuberías. Universidad Técnica Particular de Loja. Ecuador. Bustamante Ojeda, A. y Quezada Chuncho, M. E. (2009) Estudio de los parámetros de funcionamiento de la bomba de ariete hidráulico multimpulsor A&M 1.0. Director: Fran Reinoso Avecillas. Proyecto Final de Carrera. Facultad de Ingenierías. Universidad Politécnica Salesiana. Ecuador. Cahyanta, Y. A. y Mandagi, A. W. (2011) The Effect of Waste Valve Stroke Length on the Hydraulic Ram Performance. International Journal of Engineering and Science Vol. 2, No. 4. Campaña Calero, C. N. y Guamán Alarcón, D. A. (2011) Construcción y diseño de una bomba de ariete hidráulico. Director: Orwield Guerrero. Proyecto Final de Carrera. Facultad de Ingeniería Mecánica. Escuela Politécnica Nacional. Ecuador. Castellanos Rojas, W. G. (2007) Manual para el desarrollo del laboratorio de maquinas hidráulicas de la carrera de Ingeniería Mecánica. Director: José Ismael Véliz Padilla. Proyecto Final de Carrera. Facultad de Ingenierías. Universidad San Carlos de Guatemala. Guatemala. Chi, M. (2002) Hydraulic Ram Handbook. A guide for policy makers, technicians 146 and users based on experiences made in the R. P. of China. 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Materiales que se han utilizado para la construcción de la bomba de ariete: · Llave de bola de 1”. · Nipple de 100 mm de acero galvanizado de 1”. · T de acero galvanizado de 1”. · 4 manguitos de acero galvanizado de 1”. · Curva de 90º de acero galvanizado de 1”. · Válvula no retorno tipo clapeta de 1”. · Válvula no retorno tipo York de 1” modificada a válvula de impulso. · T de acero galvanizado 1”-1”-3/4”. · Reducción de acero galvanizado de 1” a 1/2”. · Manguito de 1/2” de acero galvanizado. · Llave de bola de 1/2”. · Enlace de PE de 1/2”. · Vaso de expansión de 8 L. · Además se debe disponer de distintas herramientas para construir el ariete como llaves de distintas medidas, una llave inglesa, una llave grifa, una palanca para poder hacer más fuerza al roscar, teflón, etc. Una vez obtenidos los materiales y disponiendo de un lugar de trabajo adecuado, amplio y despejado, se puede empezar con la construcción de la bomba de ariete. Se puede empezar a construir la bomba de ariete por donde se desee, pero en el presente trabajo, se ha preferido empezar a trabajar por la T de acero galvanizado de 1” por ser la pieza central del cuerpo del ariete hidráulico. A esta pieza, se le irán acoplando todas las demás hasta quedar constituida, al final del proceso, la bomba de ariete. 152 Figura AI.1. T de acero galvanizado de 1” [Fuente: Propia] A la T de acero galvanizado de 1”, se le va a roscar un manguito para poder unirlo posteriormente a la curva de 90º. Se debe poner un manguito por ser tanto la T como la curva de 90º piezas hembras. Es conveniente recordar que todas las piezas aquí descritas, y como se puede observar en las distintas fotografías, están correctamente roscadas y entre ellas se le añade tefón para que no existan posteriormente pérdidas. Por ello se debe ser generoso a la hora de poner el teflón, siendo cuidadoso a la hora de roscarlo sobre la pieza macho, teniendo en cuenta que debe hacerse en sentido de la rosca, para que posteriormente ambas lo hagan correctamente y no pierda agua la conducción. Figura AI.2. T de 1” con un manguito roscado [Fuente: Propia] Puesto el manguito y cubierto con teflón, se rosca la curva de 90º de acero galvanizado. 153 Figura AI.3. T junto con la curva de 90º [Fuente: Propia] Enroscada la curva y en vez de proseguir colocando la válvula de impulso, se centra el procedimiento al otro lado de la T de 1”, debido a que la válvula de impulso es una pieza sensible y delicada por lo que es conveniente roscarla al final del proceso para que al colocar otras piezas de la bomba de ariete no se estropee sin querer. Se rosca, por ende, el nipple al otro lado de la T, así como la llave de bola a continuación del mismo, que será el primer elemento de la bomba de ariete que atravesará el agua. Además, en el presente paso, también se aprovecha para roscar dos manguitos adicionales: uno, encima de la T, que conducirá a la válvula de descarga y otro, encima de la curva de 90º que conducirá, a su vez, a la válvula de impulso. Figura AI.4. Cuerpo del ariete hidráulico [Fuente: Propia]