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CERTIFICACIN DE LA ELABORACIN DEL PROYECTO
El proyecto DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN BANCO DE
PRUEBAS PARA BOMBAS DE ESPIRAL fue realizado en su
totalidad por el seor Miguel Andrs Tern Echeverra, portador
de la cdula 171672564-1, como requerimiento parcial para laobtencin del ttulo de Ingeniero Mecnico.
--------------------------------------- --------------------------------------
Ing. Francisco Terneus Ing. Roberto Gutierrez
DIRECTOR CODIRECTOR
Sangolqu, 2012 01- 25
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LEGALIZACIN DEL PROYECTO
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA
BOMBAS DE ESPIRAL
ELABORADO POR:
________________________________
Miguel Andrs Tern Echeverra
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA
CARRERA DE INGENIERA MECNICA
_________________________________
Ing. Xavier Snchez
DIRECTOR DE CARRERA DE INGENIERA MECNICA
Sangolqu, 2012 - 02
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DEDICATORIA
Dedico el presente trabajo:
Primeramente a Jehov mi Dios, el Alfa y la Omega, principio y fin, el que es y que era y
que ha de venir, el Todopoderoso quin fue hecho carne, se entreg, muri, resucit y
pag la deuda del pecado por mi sin que yo lo merezca, rescatando mi alma y dndole
sentido a mi ser, quien por su gracia e infinita misericordia me promete vida eterna, por
quien me despierto cada da y recibo muchas bendiciones.
Solo a Dios Jehov sea toda la gloria, toda honra y todo honor frutos del presente trabajo
y del ttulo obtenido.
A mi querida madrecita, Marcia Echeverra, quien es una bendicin de Dios, quien con su
ejemplo supo forjar mi persona y sobre todo me supo guiar por el buen camino de la fe, el
de la verdadera libertad.
A mi querida abuelita, Paulina Tejada, quin tambin es una bendicin que Dios me ha
provedo, quien en momentos felices as como en momentos difciles, siempre ha estado
junto a m.
A mi ta Patricia Echeverra quien me ayud mucho en la vida y la recuerdo con mucho
cario a pesar de la distancia en que vivimos.
A toda m querida familia quienes son una bendicin que Dios me dio.
A la memoria de Carmencita, mi bisabuelita, quin me quiso mucho y yo tambin la quise
y no la olvido.
Y tambin dedico a la memoria de alguien ms, quien, aunque ya no est con nosotros,
siempre ocupa un lugar especial en mi corazn y de quien tengo gratos recuerdos de
felices e inolvidables momentos y a quien que en su lecho de muerte jur que si Dios me
da vida, obtendra este ttulo.
Miguel Andrs Tern Echeverra
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AGRADECIMIENTO
Primeramente a Jehov mi Dios, quin me ha dado la sabidura del entendimientode su palabra, la vida, la salud, los recursos y la oportunidad de estudiar y de ser
en la vida un profesional.
A mi madre Marcia Echeverra y a mi abuelita Paulina Tejada, quienes me han
apoyado siempre en mis ideas y en la construccin de mis sueos.
A mi familia y amigos, quienes me han apoyado y me han dado nimos y aliento
para esforzarme y seguir hasta alcanzar las metas.
A la Escuela Politcnica del Ejrcito ESPE, y en especial a la Carrera de
Ingeniera Mecnica, donde me recibieron y forj mis conocimientos y me form
como profesional y como persona. De donde me llevo gratos recuerdos que jams
me olvidar.
A mis maestros, quienes me han trasladado y compartido sus conocimientos y
vivencias. A quienes recordar con inmensa gratitud.
A mis compaeros y amigos de la carrera, con quienes compart el da a da
durante mis estudios y con quienes he pasado gratos e inolvidables momentos.
Al Ing. Francisco Terneus y al Ing. Roberto Gutirrez, Director y Codirector del
presente proyecto respectivamente, quienes me supieron guiar con sus
conocimientos y experiencia hasta cumplir los objetivos propuestos.
A Mecnica Industrial Carchi y al Sr. Jaime Rosero de Hierrotecnia, quienes
gracias a su colaboracin, ha sido posible la construccin del presente proyecto.
A todas esas personas que de una u otra forma me han extendido la mano y me
han brindado su ayuda durante el transcurso de estudios de mi carrera.
Miguel Andrs Tern Echeverra
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NDICE DE CONTENIDOS
CERTIFICACIN DE LA ELABORACIN DEL PROYECTO________________II
LEGALIZACIN DEL PROYECTO____________________________________III
DEDICATORIA____________________________________________________IV
AGRADECIMIENTO________________________________________________V
INDICE DE CONTENIDOS__________________________________________ VIINDICE DE ECUACIONES___________________________________________V
INDICE DE TABLAS_______________________________________________XII
INDICE DE GRAFICAS____________________________________________XIV
INDICE DE FIGURAS______________________________________________XV
INDICE DE ANEXOS_____________________________________________XVIII
GLOSARIO DE TERMINOS________________________________________XIXRESUMEN/ABSTRACT____________________________________________XX
Captulo I: GENERALIDADES
1.1 Antecedentes ________________________________________________1
1.2 Definicin del problema________________________________________4
1.3 Objetivos ___________________________________________________ 5
1.3.1 General________________________________________________ 5
1.3.2 Especficos_____________________________________________ 5
1.4 Justificacin e importancia del Proyecto__________________________6
1.5 Alcance del proyecto__________________________________________8
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Captulo II: MARCO TERICO
2.1 Bomba_______________________________________________________10
2.2 Bomba de Espiral______________________________________________10
2.2.1. Partes elementales de una bomba de espiral__________________10
2.2.1.1 Manguera enrollada________________________________ 11
2.2.1.2 Espiras___________________________________________12
2.2.1.3 Manguera de descarga______________________________12
2.2.1.4 Articulacin Hidrulica______________________________12
2.2.1.5 Boca de Entrada___________________________________ 122.2.1.6 Paletas___________________________________________13
2.2.1.7 Radios Estructura________________________________ 13
2.2.1.8 Nivel de agua______________________________________13
2.2.2 Funcionamiento de una bomba de espiral____________________ 13
2.2.2.1 Presin hidrosttica________________________________14
2.2.2.2 Empuje de la burbuja de aire (Air lift)__________________16
2.2.3 Diseo de una bomba de espiral____________________________18
2.2.4 Eficiencia de una bomba de espiral__________________________21
Captulo llI: DISEO DE BANCO DE PRUEBAS.
3.1 Diseo de la rueda________________________________________________ 23
3.2 Diseo de la estructura de soporte____________________________________ 44
3.2.1 Materiales utilizados en la estructura_____________________________ 44
3.2.2 Cargas asignadas a estructura__________________________________ 45
3.2.3 Anlisis de estructura_________________________________________ 46
3.2.4 Anlisis de carga mxima______________________________________ 49
3.2.5 Carga mxima recomendable para la estructura___________________ 51
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Captulo IV: CONSTRUCCION DE BANCO DE PRUEBAS.
4.1 Desarrollo de Banco de Pruebas_________________________________52
4.1.1 Caractersticas del banco de pruebas_______________________52
4.1.2 Construccin de estructura de la rueda_____________________ 52
4.1.3 Construccin de Paletas_________________________________ 57
4.1.4 Construccin de bobinas en espiral________________________ 59
4.1.5 Articulacin hidrulica___________________________________ 63
4.1.6 Mangueras de descarga__________________________________ 65
4.1.7 Instrumentacin del banco________________________________664.1.8 Estructura de soporte del dispositivo_______________________66
Captulo V: PRUEBAS DE DISPOSITIVO Y ANALISIS DE DATOS
5.1 Pruebas del dispositivo________________________________________ 69
5.1.1 Pruebas en el ro________________________________________ 705.1.2 Pruebas en un tanque con agua___________________________ 77
5.2 Anlisis de datos y curvas caractersticas________________________79
Captulo Vl: ANLISIS ECONMICO-FINANCIERO
6.1 Anlisis de costos del presente proyecto_________________________ 88
6.2 Anlisis econmico de bombas de espiral________________________90
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Captulo VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 Conclusiones_________________________________________________96
7.2 Recomendaciones____________________________________________99
FUENTES DE CONSULTA_________________________________________100
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P= p*( h1+h2+h3+
,
.
INDICE DE ECUACIONES
(2.1)___________________
.+hn)+Po (2.2)_____________________
(2.3)___________________
(2.4)___________________
(2.5)____________________
(2.6)_____________________
(2.7)_____________________
(2.8)_____________________
(2.9)_____________________
(2.10)____________________
(2.11)____________________
(2.12)__________________
(2.13)_________________
(2.14)___________________
(2.15)___________________
( 2.16)___________________
(2.17)__________________ (2.18)___________________
____________14
____________15
____________16
____________17
____________17
___________19
____________19
____________19
____________19
___________ 19
___________ 20
___________ 20
____________20
____________21
____________21
____________21
____________21
____________21
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(2.19)______________________________22
(2.20)______________________________22
(2.21)______________________________22 (2.22)______________________________22 (5.1)_______________________________70
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INDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Propiedades del acero 1018_______________________________ 38
Tabla 3.2 Tabla de capacidades de carga del eje_______________________43
Tabla 3.3 Materiales utilizados en la estructura________________________44
Tabla 3.4 Detalle de las cargas asignadas____________________________ 46
Tabla 3.5 Detalle de carga mxima recomendable de estructura__________51
Tabla 5.1 Tabla de datos variando el porcentaje de sumergido___________74
Tabla 5.2 Datos tomados variando numero de espiras y dimetros de
tuberas de espiral y descarga______________________________________76
Tabla 5.3 Datos tomados en pruebas en tanque de agua________________79
Tabla 5.4 Calculo de caudal con datos de las primeras pruebas__________80
Tabla 5.5 Calculo de caudal con datos de pruebas realizadas variando
nmeros de espiras y dimetros de tuberas de espiral y descarga_______ 81
Tabla 5.6 Calculo de caudal con datos de pruebas variando la altura H___ 83
Tabla 5.7 Clculos de Eficiencia con los datos obtenidos en las pruebas en
el ro variando el porcentaje del sumergido___________________________86
Tabla 5.8 Clculos de Eficiencia con los datos tomados en pruebas en el
ro variando nmero de espiras y dimetros internos de la manguera del
espiral y de la descarga___________________________________________87
Tabla 5.9 Clculos de Eficiencia con los datos tomados en pruebas en el
tanque variando la altura de descarga_______________________________87
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Tabla 6.1 Costos totales del proyecto_______________________________89
Tabla 6.2 Costos estimados de una bomba de similar magnitud y calidad a
las analizadas en el banco de pruebas_______________________________91
Tabla 6.3 Precios de bombas elctricas utilizadas en este anlisis_______ 92
Tabla 6.4 Consumo mensual y anual de bombas elctricas_____________ 92
Tabla 6.5 Costos estimados de accesorios y adicionales necesarios para las
bombas elctricas_______________________________________________ 93
Tabla 6.6 Detalle de costos totales mensuales de cada bomba___________94
Tabla A1.1 Variables y rangos de graduacin de banco de pruebas_____ 106
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INDICE DE GRAFICAS
Grafica. 2.1 Grafica curva de Zenz de flujo agua aire [5]_______________ 17
Grafica 5.1 Velocidad de giro Caudal_______________________________ 81
Grafica 5.2 Relacin entre nmero de espiras Caudal_________________82
Grafica 5.3 Relacin d Descarga Caudal____________________________82
Grafica 5.4 Curva altura Caudal___________________________________84
Grafica 6.1 Relacin Costos Tiempo de vida til en la que se observan los
puntos de equilibrio de rentabilidad de las bombas____________________ 95
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INDICE DE FIGURAS
Fig. 1.1 Bomba de espiral - Fuente: The Spiral Pump, Peter Tailer, USA_____2
Fig. 1.2 Bomba de espiral plana_____________________________________ 3
Fig. 1.3 Bomba de espiral en pruebas realizadas en el ro Pita el
da 20/10/2010_____________________________________________3
Fig. 2.1 Partes elementales de una bomba de espiral___________________11
Fig. 2.2 Anlisis de presin de Bombas de espiral_____________________15
Fig. 3.1 Diagrama de cuerpo libre del eje_____________________________ 31
Fig. 3.2 Geometra de la flecha______________________________________32
Fig. 3.3 Diagrama de esfuerzo cortante pano yz________________________33
Fig. 3.4 Diagrama de momento flector plano yz_______________________34
Fig. 3.5 Diagrama se torque________________________________________35
Fig. 3.6 Diagrama de esfuerzo cortante plano xz_______________________36Fig. 3.7 Diagrama de momento flector, plano xz_______________________37
Fig. 3.8 Diagrama de torque________________________________________37
Fig. 3.9 Seccin con esfuerzos m y a________________________________40
Fig. 3.10 Seccin con esfuerzos equivalentes_________________________40
Fig. 3.11 Vista 3D en SAP de estructura asignada los materiales_________44
Fig. 3.12 Ingreso de dimensiones de secciones de elementos____________45
Fig. 3.13 Ingreso de propiedades de cargas__________________________45
Fig. 3.14 Anlisis de la demanda capacidad___________________________46
Fig. 3.15 Resumen resultante de anlisis de estructura_________________47
Fig. 3.16 Reacciones resultantes de anlisis de estructura______________ 48
Fig. 3.17 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda articulada
a la existente____________________________________________________49
Fig. 3.18 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda colocada
del otro lado de la estructura_______________________________________50
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Fig. 4.1 Fotografas de eje y placas utilizadas en la rueda._______________53
Fig. 4.2 Fotografas de chaveta, manzana y prisionero a colocarse en ejejunto con las placas_______________________________________________54
Fig. 4.3 Fotografas de placas agujereadas y colocadas correctamente en el
eje_____________________________________________________________ 55
Fig. 4.4 Fotografas de los radios de madera colorado cortados, y durante el
proceso de taladrado de los agujeros________________________________55
Fig. 4.5 Fotografas de ensamblaje de la rueda de soporte______________56
Fig. 4.6 Fotografas de estructura de rueda ensamblada_______________ 57Fig. 4.7 Fotografas de chumaceras a utilizarse para el giro_____________ 57
Fig. 4.8 Fotografas de preparacin y colocacin de paletas_____________58
Fig. 4.9 Fotografas de mangueras de polietileno de y de 1 utilizadas
para las espiras__________________________________________________ 59
Fig. 4.10 Fotografas de inicio de espiralado de la manguera____________59
Fig. 4.11 Fotografa de sujecin de la primera espira con alambre
galvanizado que envuelve la manguera con el radio y a un perno de las
paletas__________________________________________________________60
Fig. 4.12 Fotografa de tiras plsticas de amarre_______________________60
Fig. 4.13 Fotografas de colocado de espiral manguera de 1___________ 61
Fig. 4.14 Fotografas de colocado de espiral manguera _____________ 61
Fig. 4.15 Fotografa de bocas de entrada de agua a espira______________ 62
Fig. 4.16 Fotografa de vlvulas de las espiras y unin_________________ 62
Fig. 4.17 Fotografa de boca de entrada para 9 espiras en espiral de __ 63
Fig. 4.18 Fotografas de acople articulacin hidrulico y elementos desujecin montado en el banco de pruebas____________________________65
Fig. 4.19 Fotografas de estructura de soporte sujetando la rueda de
Espiral_________________________________________________________ 68
Fig. 5.1 Fotografa de Caneca de 20 litros utilizada para medir el caudal___ 69
Fig. 5.2 Fotografa de transporte de dispositivo desarmado_____________ 71
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Fig. 5.3 Fotografas de armado de banco de pruebas en el rio____________71
Fig. 5.4 Fotografas de pruebas con el banco en el rio__________________72
Fig. 5.5 Fotografa del Director del proyecto Ing. Franciso Terneus, junto albanco de pruebas trabajando en el ro_______________________________ 73
Fig. 5.6 Fotografas de pruebas con tanque en las instalaciones de
la ESPE_________________________________________________________78
Fig. A1.1 Partes del banco de pruebas______________________________103
Fig. A1.2 Fotografa de articulacin hidrulica_______________________104
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INDICE DE ANEXOS
ANEXO I: Manual del usuario del banco de pruebas para bombas de
espiral_________________________________________________________101
ANEXO II: Planos de despiece y construccin de banco de pruebas para
bombas de
espiral________________________________________________________ 113
ANEXO III: Planos de estructura metlica desoporte________________________________________________________ 114
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Presin hidrostti
Densidad del lqui
Aceleracin de la
Altura del fluido (
Patm Presin atmosfri
Q: Caudal
V: Volumen del recip
T: Tiempo que tarda
n: Numero de espira
d Espiras: Dimetro inte
d Descarga: Dimetro i
P: Presin
t: Tiempo en llenarse re
D Dimetro de la pri
h1 Altura de descarg
P1 Presin de la priPn Presin de la esp
V1 Volumen de la pri
Vn Volumen de la es
hn Longitud de desc
: Densidad del agu
V: Volumen de desc
H: Altura de descar
F: Fuerza aplicada
Rev: Nmero de revol
volumen V de agua.
D: Dimetro de la ru
: Velocidad angula
r: Radio distancia e
que es el lugar medio do
GLOSARIO DE TRMINOS
a (en pascales);
o (en kilogramos sobre metro cbico);
gravedad (en metros sobre segundo al c
n metros).
a
iente a llenarse, volumen de descarga
en llenarse el recipiente.
no de manguera de espiral.
terno de manguera de descarga.
ipiente de 20 l (5.28 gal).
mera espira o externa.
a de la primera espira.
era espira.ira n.
mera espira o externa.
pira n.
arga de la ultima espira n o dimetro de
a ( 8.34 lib/gal) [9]
arga en galones.
a en pies
la rueda (lb)
ciones que da la rueda en un tiempo en
eda.
r de la rueda en rpm.
n pies desde el centro de la rueda al cen
nde se aplicara la fuerza .
uadrado);
la ultima espira.
descargar un
tro de la paleta
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RESUMEN / ABSTRACT
El Banco de pruebas para bombas de espiral es un equipo de laboratorio diseado
para evaluar el comportamiento, desempeo y eficiencia de bombas de espiral las
mismas que fundamentalmente consisten en una manguera enrollada con paletas
de tal manera que al rotar ingresan por la boca tramos de agua y aire; el aire es
comprimido con el agua en cada espira y a la salida se obtiene una presin tal que
logra elevar el fluido debido a dos principios: la presin hidrosttica y el empuje de
la burbuja de aire airlift.
El equipo est diseado para que el usuario pueda modificar y graduar fcilmente
las diferentes magnitudes y parmetros de diseo de bombas de espiral, para
facilitar el estudio de comportamiento de dichas bombas. Dispone de una rueda
de grandes dimensiones con el objeto de que al hacer las pruebas arroje
resultados confiables y que las tendencias de comportamiento sean apreciables.
Adems es totalmente desarmable, portable, robusto, duradero y de fcil uso.
The Testing Bench for spiral pumps is a laboratory equipment designed to evaluate the
behavior, performance and efficiency of spiral pumps than fundamentally consist in a
coiled hose with trowels in such a way that when that rotate, stretches of water and air
than enter for the mouth; air is compressed with water in each coil and such that manages
to lift the fluid on the way out due two principles: The hydrostatic pressure and the airlift.
This equipment is designed in order that the user can modify and gauging the different
magnitudes and designing parameters of spiral pumps easily, to make easy the study of
behavior of that pumps. It has a wheel of big dimensions with the object that when doing
proofs, he yields reliable results and appreciable behavioral tendencies. Besides it is
totally demountable, portable, robust, durable and of easy use.
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CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1 Antecedentes
La bomba espiral, fue creada en 1746 por H.A. Wirtz, en Zurich - Suiza, quien
muy probablemente tom como referencia el tornillo de Arqumedes y la rueda
Persa, dispositivos que no podan levantar el agua ms alto que su propia
estructura.
A travs de la historia este invento, ha tomado distintos nombres tales como:
bomba de espiral, bomba de bobina, bomba manomtrica, bomba Wirtz, etc.
Segn Peter Tailer en su obra The Spiral Pump, un primer modelo fue
patentado en 1904 por Robinson L. y Gaylor J. Adems afirma que Peter
Morgan del Blair Research Laboratory en Zimbabwe fue probablemente la
primera persona en construir una bomba Wirtz luego de que este invento fuese
olvidado por ms que un siglo, adems de haber realizado diversas
aplicaciones en varios pases en desarrollo.
Tambin Ohlemutz Rudolf de la Universidad de California desde 1975 ha
presentado varias aplicaciones de la bomba de espiral.
Este invento consiste fundamentalmente en una manguera enrollada de tal
manera que al rotar ingresan por la boca tramos de agua y aire. El aire es
comprimido con el agua de cada espira y a la salida se obtiene una presin talque logra elevar el fluido debido a dos principios: la presin hidrosttica y el
empuje de la burbuja de aire.
La bomba de espiral rota gracias al impulso del agua ya que utiliza la energa
cintica de un rio o acequia, la cual es una fuente energtica limpia, gratuita y
abundante en nuestro pas.
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Este dispositivo, se puede construir muy fcilmente, con materiales comunes y
rpidamente accesibles y a un costo muy bajo.
El mantenimiento y la reparacin puede ser realizada por personal sin
capacitacin e incluso puede ser replicado con la simple observacin.
Foto. 1.1 Bomba de espiral
Fuente: The Spiral Pump, Peter Tailer, USA.
Peter Tailer en The Spiral Pump, tambin afirma que en estado del arte se
han obtenido alturas de bombeo de hasta 20 metros y caudales de hasta 1500
gal/da, por lo que su desempeo resulta competitivo y con una alta relacin
costo-beneficio.
Resulta especialmente atractivo para la geografa de la sierra ecuatoriana al
ser montaosa, y fundamentalmente agrcola y ganadera
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adems de poseer una gran riqueza hidrogrfica en donde los ros pasan por
quebradas profundas.
En el Departamento de Energa y Mecnica de la ESPE, se han construido
algunos prototipos de bombas de espiral como los presentados en las
fotografas 1.2 y 1.3 presentadas a continuacin, a los que se les ha probado en
ros y quebradillas aledaas a las instalaciones de la institucin, dando
diferentes resultados en cuanto a eficiencia y desempeo; registrndose su
estado del arte, una altura de hasta 22 m, con presiones manomtricas de 1.5
bar experimental y de 1.43 bar terica
Fig. 1.2 Bomba de espiral plana
Fig. 1.3 Bomba de espiral en pruebas realizadas en el ro Pita el 20/10/2010
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1.2 Definicin del problema
A nivel mundial los actuales recursos tanto energticos como hdricos son
limitados y la mayora de ellos no son renovables.
A pesar de que en nuestro pas tenemos una riqueza hidrogrfica, sta no ha
sido debidamente aprovechada ni responsablemente explotada; siendo este
recurso escaso en muchos lugares, especialmente montaosos, en donde
debido a dichas limitaciones geogrficas se ha encarecido los costos operativos
para los sectores agrcola y ganadero al tener que utilizar bombas elctricas ocon motores de combustin para movilizar el agua sea para riego o para el
ganado, al encontrarse los terrenos en alturas superiores a las que se
encuentran los ros y canales de riego en el campo agrcola y ganadero e
incluso en muchos casos, los mismos terrenos tienen algunos grados de
pendiente. En nuestro pas casi no existen proyectos de investigacin
enfocados a dar una solucin a la mencionada necesidad.
La bomba en espiral es un dispositivo autosustentable que utiliza la energacintica del ro para girar y funcionar transportando agua varios metros incluso
a terrenos ms altos que el ro o canal de agua, por lo que debera ser
profundamente investigado y estudiado su comportamiento con la intencin de
optimizarlo.
El Departamento de Ciencias de la Energa y Mecnica de la Escuela
Politcnica del Ejrcito, carece de un banco de pruebas o un dispositivo en el
que se pueda investigar este tipo de bombas tan importantes, econmicas y
prcticas para los sectores agrcola, ganadero e incluso el productivo de
nuestro pas
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1.3 Objetivos
1.3.1 General
Disear y construir un banco de pruebas y evaluacin del
comportamiento, desempeo y eficiencia de bombas de espiral.
1.3.2 Especficos
Disear y construir un equipo de laboratorio desarmable, durable,
liviano, de bajo costo y de fcil uso en el que se pueda modificar y
graduar experimentalmente diferentes magnitudes y parmetros
de diseo de bombas de espiral.
Dotar al Laboratorio de Energas Renovables un equipo con fines
experimentales, didcticos y pedaggicos; que evale el
comportamiento y desempeo de bombas de espiral,
contribuyendo a la excelencia acadmica y al desarrollo fsico de la
institucin.
Proveer un instrumento experimental en el que se demuestren
fundamentos tericos sobre bombas en espiral y mediante pruebas
se llegue a conclusiones y recomendaciones validas para un
ptimo diseo de las mencionadas bombas.
Establecer criterios y parmetros de diseo de bombas en espiral
mediante el uso del equipo banco de pruebas a construirse.
Establecer parmetros de uso del equipo a construirse con fines
experimentales y pedaggicos, determinando rangos de variacin
de magnitudes y tabulando la incidencia de los mismos en el
desempeo de la bomba de espiral.
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1.4 Justificacin e importancia del Proyecto
La necesidad de la energa a nivel mundial es tan evidente que referirse a
ello constituye un tpico de amplia discusin. Su empleo es indispensable y
generalizado en todas las actividades humanas. Los actuales recursos
energticos son limitados, aunque parezcan abundantes y que desde el
punto de vista econmico son bienes escasos y, por tanto, su uso debe ser
racional, evitndose el despilfarro y el deficiente uso en actividades donde se
puede emplear dispositivos sencillos, econmicos y que usen energa
renovable como es el caso de la bomba de espiral que nos sirve para la
extraccin de agua con varios fines en diversos campos como son la
agricultura, piscicultura, ganadera y en determinados procesos industriales.
El agua es esencial para la mayora de las formas de vida conocidas por el
hombre, incluida la humana. Estudios de la FAO, estiman que uno de cada
cinco pases en vas de desarrollo tendr problemas de escasez de agua
antes del 2030; en esos pases es vital un menor gasto de agua en la
agricultura modernizando los sistemas de riego. Se estima que
aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura. El agua
en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial. El
consumo domstico absorbe el 10% restante.
Lo descrito anteriormente, nos indica claramente que la investigacin de
nuevas fuentes de energa, as como un manejo responsable de recursos
hdricos, es vital para el bienestar del ser humano y de la subsistencia de la
economa mundial; Esta realidad debe ser ms atendida por estudiantes,
docentes e investigadores de la rama de la energa por lo que el
Departamento de Ciencias de la Energa y Mecnica de la ESPE debe
apuntar a la investigacin y desarrollo de fuentes de extraccin y usufructo
de energa, involucrando a todo su capital humano. Un gran ejemplo de
aprovechamiento de energa renovable y limpia representa la bomba de
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espiral, a ms de ser una solucin simple y econmica para el manejo de
agua con fines agrcolas y productivos.
Por ello la necesidad imperiosa del presente proyecto, ya que a ms de ser
un aporte cientfico y tcnico, dota al laboratorio de la institucin de un banco
de pruebas con fines experimentales, didcticos y pedaggicos, que evale
el comportamiento y desempeo de bombas de espiral, contribuyendo a la
excelencia acadmica y al desarrollo fsico de la ESPE.
Dispositivo sencillo y funcional que facilita la regulacin de la mayor cantidad
posible de magnitudes y parmetros que varen el desempeo de dichasbombas, demostrando fundamentos tericos y obteniendo criterios y
parmetros validos hacia un ptimo diseo de este tipo de bombas.
El presente proyecto, es de mucha importancia tanto para la formacin de
los estudiantes, investigadores y docentes del Departamento de la Energa y
Mecnica de la ESPE como para la sociedad, ya que contribuye en la
investigacin y desarrollo de tecnologas de aprovechamiento de energa.
Bsicamente, el presente proyecto tiene impacto directo en los campos
cientfico experimental y productivo tanto para los docentes, investigadores y
estudiantes de la institucin como para la sociedad.
Impacto en el campo cientfico y experimental porque facilita la investigacin,
genera destreza con un alto impacto pedaggico en estudiantes,
investigadores y docentes al ser ellos quienes manipulan el dispositivo,
analizan didcticamente los diferentes comportamientos producidos al variar
magnitudes y estudian criterios de diseo ptimo orientados a incrementar
la eficiencia de estas bombas de gran utilidad. Adicionalmente esto estimula
la creatividad.
Promete un potencial impacto en el campo productivo por el hecho de
abaratar los costos de extraccin y movimiento de agua y por lo tanto el
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8
beneficio se puede extender a cualquier rama del sector agrcola, pisccola,
ganadero y productivo del pas. Adicionalmente esta tecnologa puede ser
multiplicada fcilmente al ser estas bombas muy fciles de construir y
replicar. De manera especial, estas bombas pueden ser utilizadas
especialmente para aplicaciones de riego incrementando significativamente
la produccin agrcola.
Es factible la ejecucin e implementacin del presente proyecto, debido a la
importancia descrita, y a la evidente necesidad de su aporte cientfico as
como la necesidad de este dispositivo en el Laboratorio de Energas
Renovables de la ESPE.
Adems este proyecto est totalmente sustentado con argumentos tcnicos
y conocimientos adquiridos al estudiar la Carrera de Ingeniera Mecnica.
1.5 Alcance del proyectoDisear y construir un banco de pruebas para bombas de espiral, con fines
experimentales, didcticos y pedaggicos, que sea desarmable, trasladable,
durable, y de de fcil uso; en el que se pueda evaluar el desempeo y la
eficiencia de bombas de espiral modificando y graduando las siguientes
magnitudes:
Dimetro de manguera enrollada, dimetro de manguera de descarga, radio
de rueda, porcentaje sumergido, nmero de espiras, boca de entrada y
nmero de paletas. Con el propsito de variar el comportamiento y la
eficiencia de dichas bombas, demostrando fundamentos tericos y
obteniendo criterios y parmetros validos para un ptimo diseo de bombas
en espiral. Este equipo ser donado al laboratorio de Energas Renovables
contribuyendo a la excelencia acadmica y al desarrollo fsico de la ESPE.
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9
El equipo est diseado para que el usuario pueda modificar y graduar
fcilmente las diferentes magnitudes y parmetros de diseo de bombas de
espiral, para facilitar el estudio y comportamiento de dichas bombas.
Dispone de diez combinaciones diferentes de magnitudes combinadas
utilizando mangueras de 1 y de con varias opciones de ajuste y con
proyeccin a futuro de ampliar estas posibilidades a muchas ms.
Est diseado para ser usado tanto en fuentes naturales de agua como ros,
acequias, canales de riego, etc. Como tambin para ser usado con untanque con agua.
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10
CAPITULO II:
MARCO TERICO
2.1 Bomba.
Una bomba es un dispositivo que sirve para transferir, elevar o comprimir
lquidos y gases. [1]
2.2. Bomba de Espiral
Una bomba de Espiral es un dispositivo til para transferir agua desde una
acequia, ro o vertiente hasta un determinado sitio cercano. Este invento
consiste fundamentalmente en una manguera enrollada de tal manera que al
rotar ingresan por la boca de manera alternada tramos de agua y aire. El aire
es comprimido con el agua en cada espira y a la salida se obtiene una presin
tal que logra elevar el fluido debido a dos principios: la presin hidrosttica y el
empuje de la burbuja de aire.
La bomba de espiral rota gracias al impulso del agua transmitido hacia el
dispositivo gracias a sus paletas, de tal manera que utiliza la energa cintica
de un rio o acequia para funcionar, la cual es una fuente energtica limpia y
gratuita y no necesita de combustibles fsiles ni energa elctrica para su
funcionamiento.
Cabe recalcar que una vez colocado correctamente el dispositivo, ste tiene un
funcionamiento autnomo, sin necesidad de ser impulsado, ni manejado ni
operado.
Adems este dispositivo, es de construccin muy fcil y econmica; y su
mantenimiento es muy bsico y poco frecuente.
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2.2.1. Partes elem
Anotamos l
que pueden
continuacin
Fi
2.2.1.1 Man
Es econf
form
est
ingr
esto
enro
rued
11
ntales de una bomba de espiral.
s diferentes partes de una bomba en
ser identificadas en la figura 2.1
:
. 2.1 Partes elementales de una bomba
uera enrollada
l conducto por el cual ingresan agua yrme gira el dispositivo. Este se
ando una rueda de espiras. La espira
conectada con la boca de entrada y
san al conducto el agua y aire conforme
fluidos pasan por todo el conducto
llado hasta llegar a la ltima espira, la
a, que est conectada a la articulacin h
espiral, las mismas
ue se encuentra a
de espiral
aire alternadamentencuentra enrollado
externa de la rueda
es por ah donde
gira la rueda, luego
que se encuentra
espira interna de la
idrulica.
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12
2.2.1.2 Espiras
Estn conformadas por cada vuelta de la manguera enrollada en forma
de rueda, y son contadas a partir de la vuelta externa de la rueda hasta
la interna, cada una tiene un dimetro diferente, siendo mayor el de la
primera y el menor el de la ltima o interna.
2.2.1.3 Manguera de descarga
Es el conducto que transporta el fluido desde la articulacin hidrulica en
la bomba hacia el destino final donde se desea transportar el agua. Esta
manguera, a diferencia de la enrollada, no tiene movimiento y se
encuentra fija, tendida en el terreno y con direccin hacia el destino
deseado para el agua. La longitud de sta depende de la dimensin de
la bomba y de las caractersticas del terreno y del lugar de destino del
agua.
2.2.1.4 Articulacin Hidrulica
Es un elemento ubicado en el centro de la rueda formada por la
manguera enrollada, su funcin es unir el paso del flujo desde la
manguera enrollada que se encuentra girando con la manguera de
descarga que se encuentra fija, tendida en el terreno y con direccin
hacia el destino final deseado para el agua.
2.2.1.5 Boca de Entrada
Es una abertura por donde ingresan los fluidos de agua y aire
alternadamente conforme gira la rueda y se sumerge en el agua. Est
conectado al extremo externo de la manguera enrollada y su funcin es
de captar el ingreso del agua y facilitar un ptimo ingreso hacia la
manguera. El dimetro de la boca de ingreso debe ser mayor que el de la
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13
manguera y tanto su forma como su longitud pueden variar en funcin de
las caractersticas del ro, acequia, etc. adems de las caractersticas de
la bomba. Todo en busca de una mayor eficiencia de la bomba.
2.2.1.6 Paletas
Su funcin es recibir la fuerza del movimiento del agua del rio o
acequia para impulsar a la rueda a que gire; es decir, toma la
energa cintica del movimiento del agua y la trasfiere a la rueda
para que sta gire. Estas se encuentran distribuidas uniformementealrededor del borde externo de la rueda y se sumergen al agua
conforme gira la rueda. Pueden ser de madera o plstico.
2.2.1.7 Radios Estructura
Estos son parte de una estructura de soporte y anclaje de la
manguera enrollada cuya nica funcin es sujetar la manguera
para que se mantenga enrollada formando una rueda que gira.
Tambin a estos radios se pueden sujetar las paletas, articulacin
hidrulica, etc.
2.2.1.8 Nivel de agua
Es la lnea que forma la superficie del agua del rio o acequia. Bajo
sta se sumergirn las paletas ubicadas en la parte inferior de la
rueda mientras sta gira, adems de cierto porcentaje de la rueda.
2.2.2 Funcionamiento de una bomba de espiral
Al rotar la bomba en espiral, ingresan por la boca de entrada agua y aire
alternadamente, para luego pasar por la manguera enrollada donde el
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aire es com
a la salida s
dos principio
2.2.2.1 Pres
Un fl
del r
obje
hidrperp
obje
cara
pres
sup
cues
calc
Don
e
es
seg
e
ejer
sum
La p
con
14
rimido con el agua en cada espira conf
e obtiene una presin tal que logra elev
s: la presin hidrosttica y el empuje de
in hidrosttica
uido pesa y ejerce presin sobre las pa
ecipiente que lo contiene y sobre la su
o sumergido en l. Esta presin,
sttica, provoca, en fluidos en rendicular a las paredes del recipiente
o sumergido sin importar la orientaci
s. Si el lquido fluyera, las fuerzas
iones ya no seran necesariamente pe
rficies. Esta presin depende de la den
tin y de la altura a la que est sumer
la mediante la siguiente expresin:
e, usando unidades del SI,
s la presin hidrosttica (en pascales);
la densidad del lquido (en kilogramos s
es la aceleracin de la gravedad
ndo al cuadrado);
la altura del fluido (en metros). Un
e fuerzas perpendiculares sobre
rgida en su interior
es la presin atmosfrica. [3]
resin es a su vez proporcional a la pr
respecto a la superficie, y es indepen
rme gira la rueda y
ar el fluido debido a
la burbuja de aire.
edes sobre el fondo
erficie de cualquier
, llamada presin
poso, una fuerzaa la superficie del
n que adopten las
resultantes de las
rpendiculares a las
sidad del lquido en
gido el cuerpo y se
(2.1)
obre metro cbico);
(en metros sobre
liquido en equilibrio
ualquier superficie
ofundidad del punto
iente del tamao o
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form
verti
mis
A m
Una
en
los p
Fig.
Don
P= p
En c
con
se c
mag
15
a del recipiente. As, la presin en el f
al llena de agua de 1 cm de dimetro y
a que en el fondo de un lago de 15 m
yor profundidad, la presin ser mayor.
bomba en espiral se analiza mediante u
conectados como el de la figura 5, do
rincipios descritos anteriormente. [6]
2.2 Anlisis de presin de Bombas
e la ecuacin de la presin sera:
*( h1+h2+h3+.+hn)+Po
ada espira, el volumen de lquido es co
la diferencia de altura se aumenta la pr
omprime, reducindose su volumen y r
nitudes por la ley de Boyle.
ndo de una tubera
15 m de altura es la
de profundidad. [1]
n conjunto de tubos
de se aplican todos
de espiral.
(2.2)
stante mientras que
sin del aire y ste
lacionndose estas
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16
1 1 (2.3)
El teorema de Bernoulli implica una relacin entre los efectos de
la presin, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad
aumenta cuando la presin disminuye. [1]
A bajas velocidades, los fluidos circulan con un movimiento
suave llamado laminar, que puede describirse mediante las
ecuaciones de Navier-Stokes. A velocidades altas, el movimiento
de los fluidos se complica y se hace turbulento.
Cuando circulan por tubos, la transicin del movimiento laminar
al turbulento depende del dimetro del tubo y de la velocidad,
densidad y viscosidad del fluido. Cuanto mayores son el
dimetro, la velocidad y la densidad, y cuanto menor es la
viscosidad, ms probable es que el flujo sea turbulento. [1]
2.2.2.2 Empuje de la burbuja de aire (Air lift)
Es el principio que permite a la bomba crear columnas de agua
dentro de cada espira, conforme gira la rueda ingresando aire y
agua alternadamente, este mismo fenmeno se da en la tubera
se descarga aumentando la altura de elevacin. [4]
El aire que se comprime a medida que avanza hacia el centro dela rueda, luego se expande a medida que aumenta la tubera de
descarga, produciendo un efecto de elevacin en el agua. [4]
Las ecuaciones detalladas a continuacin fueron propuestas por
F. A. Zenz en 1993 proporcionando una relacin para estos
parmetros: [5]
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Fluj
Fluj
Don
A esD elL esS es
VGVL e_G_L
17
de la bomba (adimensional) [5]
, log
de aire (adimensional) [5]
e:
el rea de la seccin [pies cuadrados]dimetro interior de la tubera [plg.]la altura de ascenso [plg.]el rea sumergida [pies]
s el flujo de gas [pie3/min]s la densidad del fluido [gal/min]es la densidad del gas [lb/pie3]es la densidad del lquido [lb/pie3]
rafica. 2.1 Grafica curva de Zenz de fluj
(2.4)
(2.5)
o agua aire [5]
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18
2.2.3 Diseo de una bomba de espiral.
Un mtodo de obtener el nmero de espiras aproximado para la
construccin de una bomba en espiral ha sido deducido usando la ley de
Boyle. [4]
Suponemos que las espiras estn representadas como una serie
esttica de tubos en U interconectados. Cada tubo es dimensionado
para ser de igual volumen del agua (asumido para permanecer
constante y ser igual a la mitad del volumen total de la primera bobina)
por lo tanto el mismo volumen para el aire. Desde que el aire es
comprimido, el volumen total de cada respectivo tubo en U decrecera
conforme se acerca a la espira interna de la rueda. [4]
Suponemos tambin que dentro de la primera espira as como en todas
las dems espiras, la altura de salida o longitud de descarga producida
por cada espira es igual al dimetro de esa espira. [4] Esta dimensin
realmente es la medida desde la pared superior de la tubera que seencuentra al pie de la espira, hasta la pared inferior de la tubera
encontrada en la parte alta de la espira. [4]
Sin embargo, esta diferencia entre lo asumido y lo real para esta
dimensin es despreciable por un margen de error inferior al 5 %. [4]
La presin atmosfrica ser la presin de la primera espira mas el
dimetro de la rueda.
Conocemos el dimetro de la rueda, por lo tanto el volumen de la
primera espira y tambin la longitud de descarga y la presin
manomtrica requerida en la espira n. Luego determinamos el volumen
de la espira n, mediante su longitud de descarga o dimetro de dicha
espira. [4] Posteriormente de la relacin indicada procedemos a
despejar el dimetro de la espira n.
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19
Detalle a continuacin:
D Dimetro de la primera espira o externa.
h1 Altura de descarga de la primera espira.
1 (2.6)P1 Presin de la primera espira.
Pn Presin de la espira n.
Patm. Presin atmosfrica.H Altura total de descarga
1 (2.7) (2.8)d Dimetro interno de la tubera.
V1 Volumen de la primera espira o externa.
Vn Volumen de la espira n.
hn Altura de descarga de la ultima espira n
o dimetro de la ultima espira n.
1 (2.9) (2.10)
Partimos de la ley de Boyle:
1 1
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20
Se eliminan , entonces
(2.11)
Con el dimetro de la espira n, el nmero de espiras puede ser
determinado suponiendo que la longitud promedio de descarga entre la
primera espira y la espira n, multiplicado por el nmero de bobinas le
dar la longitud de descarga total. [4]
Al disear una bomba espiral, una vez determinado el nmero de
espiras, debe aadirse un 20 %. Esto minimizar los efectos de utilizar
cualquier dimetro de tubera y otras variables. [4]
A continuacin detalle:
n Nmero de espiras
Partimos entonces de la estimacin:
(2.12)
(2.13)Al valor de n hay que aadirle un 20% mas.
Ntese que el dimetro de la tubera fue eliminado de ambos lados de la
ecuacin; por lo que primeramente se debe calcular el nmero de
espiras como se detalla anteriormente en funcin de una presin
requerida o de una longitud de descarga requerida, para luego proceder
a seleccionar el dimetro de tubera mas cmodo para enrollar haciendo
la respectiva espiral.
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21
2.2.4 Eficiencia de una bomba de espiral.
Para hallar la eficiencia de una bomba de espiral, partimos de la
eficiencia de cualquier mquina que viene dada por la expresin.
(2.14)Donde W se refiere a trabajo [4]
El trabajo de salida se expresa mediante la ecuacin.
(2.15)
Donde:
: Densidad del agua ( 8.34 lib/gal) [9]
V: Volumen de descarga en galones.
H: Altura de descarga en pies
De manera que Wsalida nos queda en libras pie mediante la expresin:
[4]
8
(2.16)
El trabajo de entrada se determina mediante la ecuacin:
(2.17)
Entonces
(2.18)
Donde
F: Fuerza aplicada a la rueda (lb)
Rev: Nmero de revoluciones que da la rueda en un
tiempo en descargar un volumen V de agua.
D: Dimetro de la rueda.
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22
Wentrada tambin nos quedara en lb-pie. [4]
La fuerza F nos sale mediante la ecuacin: [2]
(2.19)Conocemos adems que:
2 1 (2.20)Para nuestro caso en particular conocemos que si partira del reposo,
entonces
V1=0, entonces v2 sera el valor de vEntonces
(2.21)Para hallar v nos basamos en la frmula: [7] [8]
(2.22)Donde
: Velocidad angular de la rueda en rpm.
r: Radio distancia en pies desde el centro de la rueda al centro de la
paleta que es el lugar medio donde se aplicara la fuerza F.
Para nuestra rueda sera 3.85 pie.
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23
CAPITULO III
DISEO DEL BANCO DE PRUEBAS
3.1 Diseo de la rueda.
Clculo de pesos de las mangueras:
[14]
Manguera de 3/4"
cm.
cm.
Volumen de manguera
Calculo de masa
g.
Kg.
Calculo de peso
N.
Manguera de 1"
cm.
cm.
Volumen de manguera
polietileno 0.9:=g
cm3
di 1.90:=
de 1.905 0.+:=
V1 de
2
4
di2
4
680:=
V1 1.413 104
= cm3
m1 polietileno V1:=
m1 1.342 104
=
m1m1
1000:=
m1 13.425=
w1 m1 9 .81:=
w1 131.699=
di 2.5:=
de di 0.8+:=
V2 de
2
4
di2
4
6800:=
V2 2.512 104
= cm3
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Calculo de masa
g.
Kg.
Calculo de peso
N.
Calculo de pesos del agua:
[2]
Manguera de 3/4"
cm.
Volumen de manguera
Calculo de masa
g.
Kg.
Calculo de peso
N.
m2 polietileno V:=
m2 2.387 104
=
m2m2
1000:=
m2 23.867=
w2 m2 9 .81:=
w2 234.131=
agua 1:=
di 1.90:=
V3 di
2
4
6800:=
V3 1.938 104
= cm3
m3 agua V:=
m3 1.938 10
4
=
m3m3
1000:=
m3 19.382=
w3 m3 9 .81:=
w3 190.133=
g
cm
3
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Manguera de 1"
cm.
Volumen de manguera
Calculo de masa
g.
Kg.
Calculo de peso
N.
Calculo de peso de los radiosMadera colorado:
[15]
g.
En total son 16 tablas
Kg.
Calculo del peso
N.
di 2.5:=
V4 di
2
4
680:=
V4 3.446 104
= cm3
m4 agua V:=
m4 3.446 104=
m4m4
1000:=
m4 34.456=
w4 m4 9.81:=
w4 338.014=
g
cm3colorado 1.0:=
V5 120 5 3:=
cm3
V5 1.8 103
=
m5 colorado V:=
m5 1.854 103=
m5m5 16
1000:=
m5 29.664=
w5 m5 9 .81:=
w5 291.004=
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26
Calculo de peso de las paletasMadera seike:
[16]
g.
Kg.
Clculo del peso
N.
Calculo de peso de las placas redondas de acero
[17]
Dimetro de las placas:
cm.
Calculo de masa
kg.
seike 0.5:= g
cm3
V6 30 18 :=
V6 1.08 103
= cm3
m6 seike V:=
m6 604.8=
m6m6 8
1000
:=
m6 4.838=
w6 m6 9 .81:=
w6 47.465=
acero 7.85:=g
cm3
dp 3:=
V7 dp( )
2
40.7:=
V7 558.418= cm3
m7 acero V:=
m7 4.384 103
= g
m7m7 3
1000:=
m7 13.151=
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27
Clculo del peso
N.
Calculo de peso de las manzanas de acero
Dimetros de la manzana
cm.
cm.
Calculo de masa
kg.
Clculo del peso
N.
Calculo de peso de los pernos de acero de 5/8 con sus tuercas
Dimetro de los pernos:
cm.
w7 m7 9 .81:=
w7 129.009=
dme 7.01:=
dmi 3.81:=
V8
dme( )2
4
dmi2
4
3.12:=
V8 84.98= cm3
m8 acero V:=
m8 667.094= g
m8m8 2
1000:=
m8 1.334=
w8 m8 9 .81:=
w8 13.088=
dpe 1.5:=
V9 dpe( )
2
414
2.42
41.5 2( )+:=
V9 41.37= cm3
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28
Calculo de masa
En total son 16 pernos
kg.
Clculo del peso
N.
Calculo de peso de los pernos de acero de 3/8 con sus tuercas
Dimetro de los pernos:
cm.
Calculo de masa
En total son 32 pernos
kg.
Clculo del peso
N.
m9 acero V:=
m9 324.751= g
m9m9 16
1000:=
m9 5.196=
w9 m9 9 .81:=
w9 50.973=
dpe2 0.9:=
V10 dpe2( )
2
40.9
1.432
40.8 2( )+:=
V10 3.208= cm3
m10 acero V1:=
m10 25.18= g
m10m10 32
1000:=
m10 0.806=
w10 m109.81:=
w10 7.904=
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29
Calculo del peso del eje
cm.
Volumen del eje
Calculo de la masa
g.
Calculo del peso
Calculo del peso total que soporta el eje
deje 3.81:=
Veje deje
2
46:=
Veje 684.055= cm3
meje acero Vej:=
meje 5.37 103=
mejemeje
1000:=
meje 5.37= Kg
weje meje 9.81:=
weje 52.678= N
wrueda w1 w2+ w3+ w4+ w5+ w6+ w7+ w8+ w9+ w10+( ) weje+:=
wrueda 1.486 103
= N
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30
Diseo del Eje de la Rueda
Caudal mximo de descarga
Velocidad angular de la rueda
Radio medido desde el centro de rueda
Calculo de velocidad v
Velocidad que rodea los 10 m/s, valor que alcanzaun ro en epocas de lluvia [18]
Calculo de la fuerza F
Ecuacin 16-4 de Mott [2],
N.
N.
Fuerza tangencial
Fuerza radial
Q 4:=gal
min
QQ 0.13
60:=
ft3
s
9:= rpm
2
60
:=rad
s
r 3.8:= pie
v r:=
v 36.285=pie
sv2 v:=
v1 0:=
v v2 v1:=
v 36.285=pie
s
agua 1.9:=lb s
2
pie4
F agua Q v:=
F 6.711= lb
F F 4.4:=
F 29.863=
Ft :=
Fr wrueda:=
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31
D.C.L. del eje:
Fig. 3.1 D.C.L del eje
Cx Ft:=
Cy Fr:=
Plano yzMA 0:=
By Cy 300
150:=
By 2972.2= N( )
Fy 0:=
Ay By Cy:=
Ay 1486.1= N( )
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32
Plano xz
Calculo de Torque:
N m.
Se establece una geometra para la flecha:
Fig. 3.2 Geometra de la flecha
Calculo de la resistencia Mecnica del eje
MA :=
Bx300Cx
150:=
Bx 59.7= N( )
Fx 0:=
Ax Bx C:=
Ax 29.9= N( )
T 1.25 C:=
T 37.329=
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33
Los diagramas de fuerza cortante (V), momento flector (M) y torque (T) son los
siguientes:
PLANO YZ
Diagrama de fuerza Cortante:
Frmulas de tabla E9 de Shigley [19]
N.
N.
Fig. 3.3 Diagrama de fuerza cortante, plano yz
VABCy 0.15
0.15:=
VAB 1.486 103
=
VBC Cy:=
VBC 1.486 103
=
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34
Diagrama de Momento FlectorPara el punto B: Frmulas de tabla E9 de Shigley [19]
Fig. 3.4 Diagrama de momento flector plano yz
MAB Cy 0.15 0.150.15
:=
MAB 222.915=
MBC Cy 0.15 0.15 0.15( ):=
MBC 222.915=
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35
Diagrama de Torques
Fig. 3.5 Diagrama se torque
PLANO XZ
Diagrama de fuerza Cortante:
Frmulas de tabla E9 de Shigley [19]
N.
N.
VABxzCx0.15
0.15:=
VABxz 29.863=
VBCxz C:=
VBCxz 29.863=
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36
Fig. 3.6 Diagrama de esfuerzo cortante, plano xz
Diagrama de Momento FlectorPara el punto B:
Frmulas de tabla E9:10 de Shigley [19]
MABxzCx0.15 0.15
0.15:=
MABxz 4.48=
MBCxz Cx 0.15 0.15 0.15( ):=
MBCxz 4.48=
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37
Fig. 3.7 Diagrama de momento flector, plano xz
Diagrama de Torques
Fig. 3.8 Diagrama de torque
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Seleccin del Material
Eje de Trasmisin: SAE 1018
Propiedades Mecnicas: Laminado en Fro
Tabla 3.1 Propiedades del acero 1018
Proveedor: - DIPAC S.A.
Seccin A
Torque en la seccin A
Dametro del eje en la seccin A
Esfuerzo de torsin en la seccin A
El cortante directo es despreciable en comparacin a la torsin, por lo que no se toma en cuenta.
Teora del esfuerzo cortante mximo (Conservadora)
La seccin A resiste fcilmente.
min,31
51-71
20%
57%
163 HB
Reduccin de rea, Z
Dureza
Propiedades: Laminado en FroEsfuerzo de cedencia, Kg/mm^2
Resistencia a la Traccin,Kg/mm^2
Elongacin, A5
Su 51 9.81:=Sy 31 9.81:=
Su 500.31= MPa( )Sy 304.11= MPa( )
Ts T 100:=
Ts 37329= N mm( )
d 38.1:= mm( )
16 Ts
d3
:=
3.438= Mpa( )
FsSy
2:=
Fs 44.234=
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Seccin B'
Se analizar la seccin B' porque tiene el momento flector mas grande y torsin
Dametro del eje en la seccin B'
Esfuerzo de flexin en la seccin B'
Esfuerzo de torsin en la seccin B'
No existe cambio de seccin:
(Criterio conservador (q = 1)
MABxz MABxz 100:=
MABxz 4.48 103
= N mm( )
MAByz MAB 100:=
N mm( )MAByz 2.229 10
5=
MtB' MAByz2
MABxz2
+:=
MtB' 222960= N mm( )
d 38.1:= mm( )
b 32 MtB'
d3
:=
b 41.063= Mpa( )
16 Ts
d3
:=
3.438= Mpa( )
Kt1 1:=
Kft Kt1:=
Kts 1:=
Kfs Kts:=
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Anlisis por fatiga
Fig. 3.9 Seccin con esfuerzos m y a
Teora del esfuerzo cortante mximo ( Conservadora )
Fig. 3.10 Seccin con esfuerzos equivalentesResistencia a la fatiga
Ecuacin 7-10 de Shigley [19]
Tabla 7-7 de Shigley [19]
m Kts :=
a :=
bmax b:=
bmin b:=
mbmax bmi+
2:=
m 0= Mpa( )
abmax bmi
2:=
a 41.063= Mpa( )
eqm m2
4+:=
eqm 6.875= Mpa( )
eqa a2
4a+:=
eqa 41.063= Mpa( )
Su 500.31= Mpa( )
Sy 304.11= Mpa( )
ktamao 1.24d 0.10
:=
ktamao 0.84=
kcarga 0.5:=
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Tabla 7-5 de Shigley para maquinado [19]
Laminado en frio
confiabilidad del 90%
Clculo del factor de seguridad (Sodelberg)
La seccin B' resiste.
Clculo de rigidez de la flecha
El anlisis de rigidez se lo hara para una seccin transversal constante de = 38.1 mm.
Dametro de la seccin
Inercia de la seccin
Longitud desde apoyos de la flecha
Mdulo de elasticidad del acero
Plano yz
Tabla E 9-10 de Shigley [19]
Se fleja al rededor de 0.15 mm hacia
abajo
ksuperficie 4.45Su 0.265
:=
ksuperficie 0.857=
kconf 0.89:=
Se 0.5 Su kcarga ktamao ksuperficie kconf:=
Se 95.319= Mpa( )
FsSy
eqmSy
Seeqa+
:=
Fs 2.206=
d 38.1= mm( )
I d
4
64:=
I 1.034 105
= mm4)
L 15:= mm( )
E 210 103
:= Mpa( )
YmaxCy L
2
3 E I L L+( ):=
Ymax 0.154= mm( )
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Clculo de vibraciones
Para analizar las vibraciones de eje se utilizar un mtodo aproximado
calculando la velocidad natural de vibracin del eje y compararla con la
velocidad angular a la que este gira.
Peso de la rueda
Peso de la rueda
Peso del eje
Peso del eje
Calculo de la deflexion
Clculo de las velocidades naturales de vibracin
Comprobacin que el eje no gire a una velocidad cercana a su velocidad
natural de vibracin
Velocidad Natural de Vibracin Final
Deflexin mxima en el eje
Peso total del eje
Wrwrueda
9.81:= Kg( )
Wtotalweje
9.81:= Kg( )
Wo Wtotal Wr+:=
Wa Wo 100:=
y2Wo 600
2 9.8
3 E I:=
Nn230
9800 Wo y2( )
Wa y22
:=
Nn2
903.604=
Ymax 0.03:=
Wtotal 5.37= Kg( )
Wu Wtotal Wr+:=
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Capacidades de carga recomendable para el eje
Peso Mximo 300 Kg. Mxima capacidad
Peso mximo recomendado 241.48 Kg. Peso mximo recomendado
Peso utilizado actualmente 151.48 Kg Rueda existente con dos
espiras de manguera ms
elementos de sujecin
Peso de incremento
mximo recomendable
90 Kg Equivalente aproximadamente
a una espira adicional mas sus
respectivos elementos de
sujecin o dos espiras
similares de manguera
adicionales anclados a los
radios y elementos de sujecin
existentes
Tabla 3.2 Tabla de capacidades de carga del eje
Comprobamos que el eje no gire a una velocidad cercana a su velocidad natural devibracin
Mientras estas relaciones estn ms lejos de 1, la velocidad de rotacin de la flecha respectoa la velocidad natural de vibracin estarn ms distantes.
Nfinal30
9800Wu Ymax
Wo Ymax2
:=
Nfinal
9057.821=
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3.2 Diseo de la estructura de soporte.
Para realizar el diseo de la estructura se utiliz el software SAP2000
versin 14 para clculo estructural.
En las secciones siguientes se presentan los respectivos anlisis de la
estructura obtenidos con el mencionado software.
3.2.1 Materiales utilizados en la estructura.
CODIGO DESCRIPCIN
2 plg. Tubo seccin cuadrada 2, espesor 3,5 mm.
1 plg. Tubo seccin cuadrada 1, espesor 3,0 mm.Redondo plg. Tubo seccin redonda D1/2, espesor 2.5
mm.
Canal Canal de 2x1, espesor 3 mm.
Tabla 3.3 Materiales utilizados en la estructura.
Fig. 3.11 Vista 3D en SAP de estructura asignada los materiales
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Fig. 3.12 Ingreso de dimensiones de secciones de elementos
3.2.2 Cargas asignadas a estructura:
Las cargas asignadas corresponden a las obtenidas en el diseo de
la rueda en la seccin 3.1, debido a que la estructura trabaja
soportando la rueda y la carga lateral debido al agua del ro.
Fig. 3.13 Ingreso de propiedades de cargas
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CODIGO CARGA DESCRIPCION
DEAD Carga debido al peso de la estructura
RUEDA Cargas debido a soportar la rueda
RIO Carga distribuida debido a la corriente del ro
o fuente de agua
DESCARGA Carga estimada debido a los elementos de la
descarga.
Tabla 3.4 Detalle de las cargas asignadas.
3.2.3 Anlisis de estructura:
Fig. 3.14 Anlisis de la demanda capacidad.
Con los resultados obtenidos de la demanda capacidad, se tiene que se
encuentra en la zona celeste, la misma que corresponde a valores de
demanda capacidad inferiores a 0.5, lo que nos indica que la estructura.
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soporta sin problemas las cargas asignadas ya que dicho resultado es
mucho mejor mientras ms se aleje de 1.
Fig. 3.15 Resumen resultante de anlisis de estructura
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Fig. 3.16 Reacciones resultantes de anlisis de estructura
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3.2.4 Anlisis de carga mxima
Se analiz con el software SAP la estructura simulando cargas
adicionales que representaran una tentativa colocacin de una segunda
rueda de dimensiones y peso similar a la existente, con el fin de observar
si la estructura soporta o no.
En un primer anlisis se coloc una segunda rueda articulada a la
existente y se obtuvo una demanda capacidad de algunos elementos en
la zona roja, lo que nos indica que los mismos no soportaran si se
colocara una rueda adicional articulada a la existente
Fig. 3.17 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda
articulada a la existente
Se observa que en color rojo estn los elementos de seccin cuadrada de
1 donde se asienta la rueda, los mismos que seran los que no
soportaran, tambin se observa que la viga horizontal de seccin 2 plg.
sobre la cual se asienta la rueda, trabaja presenta un color amarillo, lo
que ya nos indica que tiene una demanda capacidad entre 0.7 y 0.9, lo
cual sera un trabajo muy al lmite.
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En un segundo anlisis se coloca una segunda rueda del otro lado de la
estructura, de manera que ambas ruedas queden paralelamente una
frente a la otra.
Se aclara que para colocar otra rueda, se deberan adems aadir los
elementos respectivos para asentar dicha rueda, adems de los
elementos de 1 presentes en el otro lado de la estructura, los mismos
que refuerzan la viga de 2.
Fig. 3.18 Anlisis de Demanda Capacidad con una segunda rueda
colocada del otro lado de la estructura.
Observamos que en este caso la estructura presentara una demanda
capacidad menor a 0.5, pero la viga horizontal donde se asentara la
segunda rueda, trabaja hasta con demanda capacidad de hasta 0.7, lo
que seran parmetros normales de funcionamiento pero ya no se
recomienda aumentar ms.
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3.2.5 Carga mxima recomendable para la estructura
Observando los resultados obtenidos en el anterior anlisis, se detalla que
de existir la futura posibilidad de aumentar las ruedas de espirales, se
recomienda lo siguiente.
Ruedas existentes 1 de 151.68Kg.
Numero mximo de ruedas
recomendado.
2
Disposicin Paralelas, una frente a la otra, una
de cada lado de la estructura
Peso mximo recomendado de
cada rueda (Verificar Tabla 3.2
Tabla de capacidades de carga del
eje
241.48 Kg cada rueda
Tabla 3.5 Detalle de carga mxima recomendable de estructura.
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CAPTULO lV
CONSTRUCCIN DEL BANCO DE PRUEBAS.
4.1 Desarrollo de Banco de Pruebas
4.1.1 Caractersticas del banco de pruebas.
Al momento de disear el dispositivo se pens con gran detenimiento
en la finalidad de este producto y por lo tanto en el uso que ste
tendra como equipo del laboratorio de energas renovables de la
ESPE y en la utilidad que debe proveer al usuario.
Por lo tanto, se parti con la idea que del dispositivo se debera tomar
datos lo ms cercanos a la realidad como sea posible, por lo tanto se
deba construir una rueda de buenas prestaciones como para trabajo
real.
Con esto se lleg a la conclusin de que la rueda debe construirse de
un buen tamao, ya que para este tipo de bombas sera la nica
manera de que los datos arrojados muestren de manera clara sus
verdaderas tendencias al variar las magnitudes de diseo.
Al mismo tiempo se consider que el equipo debe ser totalmente
desarmable, de material durable y de fcil uso en el que se pueda
modificar y graduar experimentalmente diferentes magnitudes y
parmetros de diseo con el propsito de evaluar el comportamiento
de bombas de espiral.
4.1.2 Construccin de estructura de la rueda
La rueda, como se indic anteriormente deba ser de grandes
dimensiones, por lo que haba que construir primeramente una
estructura que soporte el peso de la manguera con el agua y sta
debera girar libremente.
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Se parti de la idea de utilizar un eje conectado a chumaceras, de
manera que gire libremente, y sobre dicho eje armar la estructura y la
rueda.
Se utiliz entonces un eje de acero 1030 al frio de pulgada y media de
dimetro y 23,6 pulgadas de longitud.
A este eje, mediante una chaveta, se sujetan tres placas de acero
4340, redondas de 30 cm. de dimetro y 8mm de espesor.
Dicha geometra redonda de las placas se logr mediante el uso de
proceso de oxicorte y posteriormente se us amoladora para dar unterminado uniforme en los bordes.
Fig. 4.1 Fotografas de eje y placas utilizadas en la rueda.
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Entre estas placas se ajustarn mediante pernos dos juegos de radios
de madera que sern los que formen la rueda de soporte. Dos juegos
de radio porque se colocaran dos espiras de manguera, uno a cada
lado de la rueda y con proyeccin a amarrar espiras adicionales en
cada lado.
Se colocarn entonces en el eje una placa, junto un juego de radios
de madera, junto otra placa, luego junto otro juego de radios y
finalmente junto otra placa; quedando as una placa en cada extremo
y una en el centro entre los radios.
Estas placas tienen una separacin de pulgada y cuarto, que ser lamedida del ancho de los radios para formar la rueda.
Para formar esta separacin se adicion entre las placas dos
manzanas de acero de 3 pulgadas de dimetro y la pulgada y cuarto
de ancho, sujetadas al eje mediante la chaveta y aseguradas
mediante prisioneros de 23/64 y 6/8 de longitud.
Fig. 4.2 Fotografas de chaveta, manzana y prisionero a colocarse en
eje junto con las placas
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Mientras tanto que en las placas se realiz los orificios centrales de
pulgada y media con su respectivo chavetero, luego se taladr en
cada placa los 16 orificios de dimetro 5/8. Estos orificios estaban
dispuestos dividiendo la circunferencia en 8 partes iguales ubicando
simtricamente dos orificios en cada divisin.
Fig. 4.3 Fotografas de placas agujereadas y colocadas
correctamente en el eje.
Estos orificios representaran los agujeros por donde pasaran los
pernos para ajustar los radios.
Alrededor de una placa van 8 radios cada uno de estos sujetado condos pernos, dando un total de 16 radios.
Estos radios sern de madera colorado por ser resistente. Y sus
dimensiones sern de 120 cm x 5 cm x 2 cm.
Fig. 4.4 Fotografas de los radios de madera colorado cortados, y
durante el proceso de taladrado de los agujeros.
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Las tres placas y los dos juegos de radio van ubicados paralelamente,
adems de sus orificios simtricamente ubicados de modo que 16
pernos de 5/8 ajustan las 3 placas con los dos juegos de 8 radios.
Fig. 4.5 Fotografas de ensamblaje de la rueda de soporte
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Los 16 pernos de 5/8 sern ajustados con sus respectivas tuercas de
presin.
Fig. 4.6 Fotografas de estructura de rueda ensamblada
Esta estructura girar gracias a dos chumaceras de piso de una
pulgada y media que le sern colocadas en un extremo del eje.
Fig. 4.7 Fotografas de chumaceras a utilizarse para el giro.
4.1.3 Construccin de Paletas
La bomba ser diseada para girar en un ro o acequia, impulsada por
la fuerza de la corriente del agua; o sea que girar utilizando la
energa cintica del agua.
Las paletas son elementos ubicados al borde de la rueda, de modo
que reciban la energa de la corriente del agua y transmitan hacia la
rueda impulsndola a girar. En este proyecto se colocaron ocho
paletas alrededor de la circunferencia de la rueda, cada una ajustada
en cada par de radios de la rueda mediante 4 pernos de 3/8.
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Las paletas se hicieron de madera seike por ser liviana, se cortaron
tablas de 30 cm x 19cm x 20 mm de espesor.
Fig. 4.8 Fotografas de preparacin y colocacin de paletas
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4.1.4 Construccin de bobinas en espiral.
Se colocaron dos espiras de manguera de polietileno, una a cada lado
de la estructura de la rueda y sujeta a los respectivos radios.
La una espira se hizo con manguera de polietileno de dimetro 3/4 y
la otra espira con manguera de 1 de dimetro interno, tambin de
polietileno.
Fig. 4.9 Fotografas de mangueras de polietileno de y de 1
utilizadas para las espiras
Se empez espiralando la manguera de 1, empezando desde la
espira ms grande o externa de la rueda, la misma que tendra un
dimetro de 1.10 m.
Fig. 4.10 Fotografas de inicio de espiralado de la manguera.
La manguera de polietileno se sujet a la estructura mediante alambre
galvanizado las dos primeras espiras, ya que en la primera
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se sujetaba la manguera con alambre a cada uno de los radios y a un
perno de la paleta; mientras que en la segunda espira se sujet
tambin con alambre que envolva la manguera con el radio y la
primera espira ya sujeta.
Fig. 4.11 Fotografa de sujecin de la primera espira con alambre
galvanizado que envuelve la manguera con el radio y a un perno de
las paletas
Para dems espiras se utiliz tiras plsticas de amarre, de tal forma
que se iba sujetando la manguera con el radio y con la espira anterior.
Fig. 4.12 Fotografa de tiras plsticas de amarre
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De esta manera se espiral la manguera hasta lograr tener una rueda
de 11 espiras.
Fig. 4.13 Fotografas de colocado de espiral manguera de 1
Posteriormente al otro lado de la estructura se procedi a colocar la
espira con la manguera de , utilizando el mismo procedimiento
tambin hasta obtener una rueda de 11 espiras.
Fig. 4.14 Fotografas de colocado de espiral manguera
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En cada espiral, en el extremo de la espira externa de la manguera
enrollada, se coloc mediante juntas para mangueras un pedazo de
60cm de manguera de polietileno de 2; esta ser la boca de entrada.
Al extremo libre de estas bocas de entrada se coloc unos tapones de
rosca, con el fin de que el usuario tape y destape fcilmente conforme
necesite utilizar o no cada espira.
Fig. 4.15 Fotografa de bocas de entrada de agua a espira
En cada espiral, en el extremo de la espira ms interno, se coloc
vlvulas de paso de fluido, ambos de , debiendo poner la reduccin
respectiva para la manguera de 1.
Luego de estas vlvulas de ambas tuberas se unen por medio de
una te de 3/4 a una nica manguera transparente que se encuentra
conectada directamente a la articulacin giratoria acoplada al eje de la
cual se trata con ms detalle ms adelante y que se une con la
manguera de descarga.
Fig. 4.16 Fotografa de vlvulas de las espiras y unin
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En la espiral con la manguera de , se realiz un corte a la
manguera en la tercera espira, esto con el objeto de probar el
comportamiento de la espiral con 9 espiras y luego con 11.
Se tuvo que colocar en esta parte una unin con una tercera boca de
entrada exclusiva para 9 espiras y con un tapn para cuando se
requieran 11; adems se coloc una vlvula, con el objeto impedir el
paso del agua hacia las dos espiras externas inhabilitadas cuando se
requiera usar 9 espiras.
Fig. 4.17 Fotografa de boca de entrada para 9 espiras en espiral de
4.1.5 Articulacin hidrulica.
Es un elemento est ubicado en el centro de la rueda, est
centradamente acoplado al extremo en voladizo del eje; su funcin es
unir el paso del flujo que viene desde las mangueras enrolladas con la
manguera de descarga que se encuentra fija, tendida en el terreno y
con direccin hacia el destino final deseado para el agua.
Esta articulacin llega a ser la parte ms complicada en la elaboracin
de una rueda en espiral, y por lo tanto de este banco de pruebas ya
que es un elemento que debe unir una manguera que est rotando
con otra fija impidiendo adems que el agua se fugue.
Para este elemento se analiz detenidamente como fabricar uno que
cumpla con los requisitos anteriormente descritos y de dimensiones
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acordes a las mangueras de 1 y , o buscar alguna manera de
adaptar uno o varios elementos hidrulicos, sean estos de plstico, de
cobre o partes de bombas, etc.
Primeramente se prob adaptando un universal de cobre soldado a
cada lado con acoples y dotado de un orn para evitar o por lo menos
disminuir fugas; pero se detect que iba a fugar gran cantidad de
agua y que iba a haber un grande y prematuro desgaste de los
elementos al girar, lo que restara notablemente el tiempo de vida til
de este dispositivo.Se descart entonces el mencionado dispositivo.
Posteriormente ante la dificultad de elaborar esta articulacin se
busc algn elemento industrial hidrulico que pueda servir o alguno
que se lo pueda adaptar.
Luego de mucha investigacin y bsqueda se encontr un acople
industrial hidrulico de , de los que son utilizados en volquetas en
el sistema hidrulico que levanta el cajn.
Este dispositivo dispone de una entrada para manguera de y con
una salida de rosca macho tambin de , con la particularidad que
gira el un extremo con la entrada mientras el otro permanece esttico,
siendo diseado exclusivamente para este particular con los
empaques y dispositivos precisos para dicho fin garantizando
hermetismo del fluido.
Al cumplir con dicha condicin y ser de , este dispositivo fue
exactamente lo que se necesitaba para el banco de pruebas; ya que
acopla una manguera que rota con otra que se mantiene esttica sin
fugas de agua.
Lo nico que se tuvo que hacer es cortar con una sierra la cascara
alrededor del acople para manguera de entrada, ya que era de los
que se juntan apretando con muelas mecnicas, siendo esto diseado
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para altas presiones que bordean los 180 psi, por lo que no era
necesario ya que en nuestro banco no se superar los 20 o 30 psi
mximo; de modo que solo se junt usando abrazaderas.
Se tuvo adems que acoplar al eje elaborando un elemento de
sujecin metlico desmontable, esto debido a que no poda ser
soldado este elemento ya que posee empaques que se fundiran. Lo
que va acoplado al eje fue el lado de la entrada de manguera ya que
todo esto se encuentra rotando, mientras que el otro lado, el que no
debe girar toc acoplarle a la estructura de soporte del dispositivo.
Fig. 4.18 Fotografas de acople articulacin hidrulico y elementos de
sujecin montado en el banco de pruebas
4.1.6 Mangueras de descarga.
Se colocaron dos dimetros de mangueras para la descarga, de
manera que el usuario pueda combinarlas con las de la espira y tener
as varias opciones de probar.
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Se us 32 m. de manguera de polietileno negro de para la una
descarga; mientras que para la otra se us 16 m. de manguera mixta
(transparente y de polietileno negro) de 1 con opcin a incrementar
su longitud con manguera de , de la que se dispona con 103 m.
Se acopl mediante adaptadores a la rosca de salida de la
articulacin hidrulica; luego, mediante una t se dividi para conectar
las dos diferentes mangueras de descarga.
A la entrada de cada manguera de descarga se coloc una vlvula
con el objeto de que el usuario pueda permitir o impedir el paso delagua a cada manguera seleccionando fcilmente la manguera de
descarga que necesite utilizar.
4.1.7 Instrumentacin del banco.
Para la utilizacin del banco de pruebas se utilizar la siguiente
instrumentacin.
Manmetro de presin de 100 psi, Conexin de rosca macho 1/2
pulgada.
Cronmetro de apreciacin 1/100 seg.
4.1.8 Estructura de soporte del dispositivo.
Se estableci que esta estructura debera ser totalmente desarmable
debido a que ser de gran tamao de acuerdo a las dimensiones y
peso de la rueda construida y tomando en cuenta adems que debe
soportar la fuerza de la corriente de un ro caudaloso sin virarse y
adems soportando carga en movimiento. Por lo que se dedujo que el
mejor material para construir esta estructura sera de acero
estructural.
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Adems se deba tomar en cuenta que al ubicar el dispositivo en un
ro, el piso del mismo y de sus alrededores posee irregularidades en
cuanto a inclinacin, profundidad, materiales, etc. Por lo que se
determin que las patas de la base de la estructura deberan ser
considerablemente graduables en altura.
Se debi considerar adems que en un futuro a este dispositivo
puede ser mejorado, agrandado e incluso se da la posibilidad abierta
para colocar una segunda rueda al dispositivo.
Tomando en cuenta todas las consideraciones anteriormente dichas
se procedi a construir un dispositivo utilizando tubo de acero
estructural cuadrado de 2.
La estructura bsicamente consiste en dos A grandes cubicadas una
frente a la otra de manera paralela y separadas por un tubo de 2,58m
conectado en la parte superior, a manera de estructura para
columpios. Ambas A forman un tringulo de 2,96 m de base y 2,56m
de altura.
Las patas de estas A son extensibles en 40 cm cada una con opcin
de graduacin cada 10 cm, ajustable con un perno colocado a manera
de pasador y asegurado por una tuerca.
Existen dos travesaos horizontales en estas A, el uno de 1m de
longitud y colocado a 86 cm medidos desde el vrtice superior del
tringulo y el segundo de 1,64m de longitud, colocado a 1.42 m
medidos desde el vrtice superior del triangulo.
Sobre una de las A y asentada una base sobre el travesao de 1.64
m. est montada la rueda de manera que sta queda parada y de
manera paralela a las A. Ser montada mediante dicha base
horizontal sobre la cual descansarn las dos chumaceras que
soportan la rueda.
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Cabe anotar que se debi poner las dos chumaceras al un solo lado
del eje y se dej tanto la rueda como el otro extremo del eje colgado
en voladizo. Esto debido a que si asentramos sobre algn elemento
fijo el otro extremo del eje, al girar la rueda siempre se enrollara la
manguera contra ese elemento fijo y no habra forma de que funcione.
Por lo tanto dicho lado del eje debe quedar libre y girar libremente
junto con la rueda.
Y como se trat en la articulacin hidrulica, en dicho extremo en
voladizo del eje fue colocado nicamente dicho acople industrial cuyo
lado giratorio de dicho acople est sujeta al eje que gira todo eltiempo y el otro lado del acople, el lado esttico, est sujeto con la
estructura de soporte, esto se lo hizo mediante la colocacin pletinas.
Toda la estructura es totalmente desarmable.
Fig. 4.19 Fotografas de estructura de soporte sujetando la rueda de
espiral.
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CAPTULO V
PRUEBAS DE DISPOSITIVO Y ANALISIS DE DATOS
5.1 Pruebas del dispositivo.
El banco de pruebas construido fue sometido a varias pruebas, cada una de
ellas trabajando con diferentes combinaciones de magnitudes y condiciones de
trabajo; todo esto con el objetivo de tomar datos necesarios para posteriormente
analizarlos y sacar conclusiones validas.
En cada una de estas pruebas, deba ser tomado un valor de una misma
magnitud, para que ste sea comparable con el obtenido en las dems pruebas.
Esta magnitud fue el caudal de descarga.
Para medir el caudal de descarga de la bomba, en todas las pruebas se utiliz
un mismo sistema de toma de valores. Este consisti en tomar con un
cronmetro el tiempo en que tarda en llenarse un recipiente de volumenconocido, que en este caso se utiliz una caneca de 20 litros de volumen.
Fig. 5.1 Fotografa de Caneca de 20 litros utilizada para medir el
caudal
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De esta manera, obtenemos el caudal utilizando la frmula:
(5.1)
Donde:
Q: Caudal
V: Volumen del recipiente a llenarse
T: Tiempo que tarda en llenarse el recipiente.
Por lo tanto, el caudal ser primeramente obtenido en unidades de l/min, valor
que posteriormente puede ser transformado a
, o a
, etc.
Las pruebas con el banco de pruebas construido se realizaron utilizando dos
fuentes de agua.
Un ro.
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