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Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Mecánica

Turbomaquinas

Proyecto

1AA241

Julia Lu 8-878-1223 Isabel Sánchez Moisés Adames David de León

8-872-2437 9- 743-184 8-882-2242

Esteban Franco 20-14-1927 Lorena Obando 8-880-2178

Profesor: Orlando Aguilar

18 de julio de 2015

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TURBOMAQUINARIAS

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

PROYECTO DE ARIETE HIDRÁULICO

Profesor: Ing. Orlando Aguilar, Ph.D.

1. El ariete hidráulico deberá elevar el agua potable a una altura mínima de 10 metros.

2. El diseño del ariete hidráulico es libre, pero deberá contar en su entrada con la terminal macho de una unión universal de PVC de 1” de diámetro y a la descarga, deberá poder conectarse con la terminal hembra de una manguera de jardín de ¾” diámetro.

3. Las dimensiones del ariete deberán ser tales que éste pueda enmarcarse dentro de un cubo de dimensiones 0.75 m de lado en el fondo x 0.75 m de altura (0.75 x 0.75 x 0.75) m.

4. El ariete será alimentado desde un tanque de suministro a volumen constante con una columna de agua de 1.4 m, mediante una tubería inclinada de acero galvanizado de 1.9 metros de longitud y 1” de diámetro.

5. La descarga será vertical mediante una manguera de jardín de ¾” diámetro de al menos 50 pies de longitud.

6. El caudal de entrega será medido por métodos volumétricos.

7. Un reporte escrito que incluya el diseño y especificaciones básicas, así como los resultados de la prueba, deberá ser entregado el día de la prueba del ariete hidráulico.

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MATERIALES

Reducción de PVC de 2 a 1”

Codo de 90º de PVC

Son considerados como un accesorio que se instala entre las dos longitudes de un tubo para permitir un cambio de dirección, el cual, mediante un procedimiento determinado forman las líneas estructurales de las éstas. Reducción de PVC

Son utilizados cuando pasamos de un diámetro de tubería a un diámetro menor.

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Tanque Hidroneumático

Son un accesorio en un circuito donde la red de agua de producción inyecta directamente a la red de distribución. El tanque actúa como un pulmón que lo único que hace es las veces de un reservorio mínimo para asegurar el suministro de agua a una presión determinada. Accesorio en T de PVC

Tiene la función de permitir el paso del agua en 2 direcciones. Adaptador Macho de PVC

Se utilizan para unir la tubería con un accesorio que tenga rosca como un filtro o una válvula de aire.

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Válvula de Pie de Pozo

Son usadas para mantener la presión hidráulica que mantiene el flujo de agua de acuerdo con los ajustes o configuraciones dadas.

¿QUÉ ES EL ARIETE HIDRÁULICO? El ariete hidráulico es una bomba de chorro de agua que actúa por choque. Este levanta agua empleando la fuerza que se genera cuando una masa de agua en movimiento se detiene repentinamente. A este fenómeno se le da el nombre de golpe de ariete y se produce por la transformación de energía cinética a energía de presión. Lo que se hace con el ariete es llevar una parte de un caudal grande de agua con poca caída a una cota mayor.

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FUNCIONAMIENTO

El agua se conduce a la caja de válvulas del ariete. La caja de válvulas contiene dos válvulas automáticas, una válvula de descarga que abre hacia abajo y otra de suministro que abre hacia arriba. Encima de esta última hay una cámara de aire en cuya base se encuentra la tubería de suministro. Con la válvula de suministro cerrada existe un flujo continuo por la válvula de descarga. Si la válvula de suministro se cierra intempestivamente se desarrollan presiones por el golpe de ariete que obligan a la válvula de suministro a abrirse permitiendo la entrada de algo de agua a la tubería de salida. Una vez llegue la onda de presión negativa de la toma, la válvula de suministro se cierra y la de descarga se abre automáticamente. Entonces se produce un flujo de agua gradualmente acelerado a través de la válvula de descarga que ocurre hasta que la fuerza neta ejercida hacia arriba en la válvula supera su peso y en ese momento esta se cierra para comenzar un nuevo ciclo. La cámara de aire sirve como amortiguador de flujo en la tubería de salida reduciendo las fluctuaciones. El ariete funciona de la manera siguiente, ver el diagrama (fig. 1) para un mejor entendimiento. El agua llega a la toma desde la fuente y de allí se hace circular por caída natural en una tubería que la conduce hacia el ariete, el diámetro de la tubería de entrada debe ser en todo caso mayor a la de salida. La válvula de descarga que se encuentra abierta por su propio peso se cierra con el empuje del agua como se explicó anteriormente. Con el cierre de esta se produce el golpe de ariete en la bomba y obliga a la válvula de suministro a abrirse. Se forza el agua a través de esta a la cámara de aire. Una vez amortiguada la sobrepresión por la entrada del agua a la cámara de aire, se cierra la válvula de suministro y se abre la de descarga permitiendo una vez más el comienzo de un nuevo ciclo. Se puede repetir este procedimiento de 40 a 200 veces por minuto dependiendo de las características del ariete; esta iteración genera una presión en la cámara de aire que llega a ser suficiente para bombear el agua hasta la cota deseada donde se encuentra el depósito.

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DISEÑO DE NUESTRO ARIETE HIDRÁULICO

GOLPE DE ARIETE

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Para que el ariete hidráulico funcione se necesitan dos cosas:

Agua en cantidad suficiente para impulsarlo

Suficiente desnivel de trabajo (el mínimo es 20 cm).

El agua puede proceder de un manantial, arroyo o río y debe ser conducido al

ariete hidráulico mediante un conducto (hierro galvanizado, PVC, PPP, etc),

cuyo diámetro dependerá del caudal utilizado.

EL CAUDAL DE ALIMENTACIÓN

El ángulo de inclinación del tubo de alimentación (α) debe estar entre los 10º

y los 45º con la horizontal. El caudal de alimentación del ariete dependerá del

diámetro de dicho tubo. En la siguiente tabla se pueden ver relacionados

estos parámetros, para tubería de hierro galvanizado, que es la más

recomendable para alimentar arietes hidráulicos.

Caudal de alimentación (Q) Lit/min

30 60 90 120 250 500 1000

Diámetro del tubo Pulgadas/mm

11/4“/35 11/2”/41 2”/52 21/2”/70 3”/80 5”/125 8”/200

Hay que tener en cuenta que el agua que se acelera en el tubo de

alimentación, es la que provoca el “golpe de ariete”, por lo que este ha de

tener una longitud, inclinación y diámetro adecuados, sin curvas ni

estrechamientos que provoquen pérdidas de carga por rozamiento.

RENDIMIENTO (R)

El rendimiento del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua que se

puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, y varía en

función del cociente H/h. Al aumentar el valor resultante, el rendimiento

disminuye. En la tabla siguiente puede verse cómo varía el rendimiento

energético.

H/h 2 3 4 6 8 10 12

Rendimiento 0.85 0.81 0.76 0.67 0.57 0.43 0.23

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EL CAUDAL ELEVADO (q)

Depende del rendimiento (R), el caudal de alimentación (Q), el desnivel de

trabajo (h) y la altura de elevación (H). La ecuación por la que se relacionan es

la siguiente:

q = R · Q · h / H

Q (Caudal de alimentación) = 1.35 litros/minuto

h (desnivel de trabajo) = 1.5 metros

H (Altura de elevación) = 10 metros

Q de alimentación = Δh ∗ Area del tubo

𝑡=

12 𝑐𝑚

100(

𝜋

4)(𝑑2)

5 𝑠𝑒𝑔= 1347.79

𝑐𝑚3

𝑠𝑒𝑔= 1.35 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠/𝑠𝑒𝑔

Nuestra relación de H/h es igual a 6.7 por ende tomamos como rendimiento

R= 0.65

Se determina el caudal elevado:

𝑞 = 𝑅 ∗ 𝑄 ∗ℎ

𝐻= 0.131625

𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑠𝑒𝑔= 131.625

𝑐𝑚3

𝑠𝑒𝑔

La probabilidad de agua que llegara a la altura de 10 metros, es casi mínima

debido a su elevación, la presión influiría enormemente en el caudal que

llegara debido a que proporcionaría una buena elevación, dicha presión toma

su importancia en el golpe de ariete.

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PRUEBAS DEL ARIETE HIDRAULICO