1.
Estudiantes:
DANIEL MALDONADO GARCÍA
JUAN ALBERTO CALERO
FABIAN OTALORA
Directores:
Ing. Nelson Arzola
Ing. Edwin Cárdenas
Bogotá D.C., junio de 2009
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS
ARIETE HIDRÁULICO

2.
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
Este proyecto de ingeniería se basa
en la necesidad de elevar agua
desde una fuente (rio o tanque de
almacenamiento) a zonas rurales sin
la utilización de energía eléctrica; las
bombas hidráulicas de ariete, que
funcionan aprovechando la fuerza
producida por una caída de agua
para elevar parte de la misma a una
altura mayor, es la alternativa elegida
debido a su simplicidad y bajo costo.

3.
El ariete hidráulico fue patentado en
1769 por Joseph Montgolfier, en la era
de los grandes inventos como las
maquinas a vapor y el motor de
combustión interna.
Durante los siglos IXX y XX se utilizaron
ampliamente, y se han instalado
mundialmente para proyectos de
irrigación, aldeas, huertos, residencias y
palacios. Las bombas de ariete
instaladas en la famosa fuente frente al
Palacio de TAJ MAHAL, en India,
suministra 2,727 m^3/día. Los
compradores contemporáneos de la
bomba de ariete, por lo general son de
agencias benéficas, como la UNICEF y
personas trabajadoras en zonas rurales
para reducir costos de producción.

4.
El agua se acelera a lo largo del tubo de alimentación hasta alcanzar una
velocidad suficiente como para que se cierre la válvula de desperdicio. Entonces
se crea una fuerte presión, al detenerse el agua bruscamente. Este golpe de
presión abre la válvula de alimentación y hace pasar un pequeño chorro de agua
a la cámara de aire, hasta que se equilibran las presiones. En ese momento, la
gravedad abre la válvula de desperdicio y se cierra la de alimentación,
repitiéndose de nuevo el ciclo. El agua, a cada golpe de aire hace fluir el agua,
con continuidad, por la manguera de elevación. El ritmo de golpes por segundo
suele ser de uno o dos.
Funcionamiento

5.
Valor esperado del proyecto:
Marketing: $50.000
Diseño: $100.000
Manufactura: $200.000
Validación prototipo: $50.000
Total: $405.000
Presupuesto destinado:
Materiales y manufactura: $200.000
Implementos de experimentación: $20.000
Tiempo de desarrollo:
15 semanas

6.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los sistemas hidráulicos de bombeo de
agua son equipos que pueden abastecer
de agua a pequeños poblados para el
consumo familiar o riego. La fuerza que
mueve el equipo de bombeo puede ser
un arroyo, un canal u otra forma de agua
corriente que pueda suministrar la
energía suficiente para bombear agua a
alturas.
Pensando de esta manera, la principal
necesidad es diseñar un sistema ideal
para estas zonas rurales cumpliendo
eficientemente dicho transporte de agua,
teniendo en cuenta requerimientos de la
zona como por ejemplo evitar el uso de
energía eléctrica o combustibles. Por ello
un sistema que utilice los principios del
golpe de ariete.

7.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
•Eficiencia.
•Facilidad de manejo.
•Bajo Desgaste de los componentes.
•Garantizar presión constante en la entrega de agua.
•Sin uso de energía eléctrica ni combustible.
•Soportar cambios climáticos (oxidación y heladas).
•Repuestos normalizados (genéricos).
•Bajo costo de instalación.
•Bajo costo de operación.
•Competitividad en el mercado frente a productos que desempeñen la misma
función (motobombas)
•Fácil mantenimiento.
•Operación permanente.
•Estética.

8.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)
Empresa
Diametro tuberia
de entrada
Diametro
tuberia de
salida
Altura
mínima de
entrada (m)
Altura
máxima de
entrada (m)
Altura
máxima de
salida (m)
Caudal de
entrada
(m^3/min)
Caudal de
salida
(m^3/min)
Meribah (PVC) 1" 1/2" 1 3 21 16 3
Meribah (Galvanizado) 1" 1/2" 1 2,5 20 16 3,5
Lidgerwood Industrial 1" 1/2" 1 1 6 15 1,6
Blake 1" 1/2" 1 1 6 15,1 1,2
Rife 2" 2" 1 7,5 75 90 6

9.
ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)
• Relación largo-ancho del tubo de salida
• Golpes por minuto
• Coeficiente de rozamiento de la tubería entrada
• Longitud tubería de entrada
• Presión en la cámara de aire y cuerpo del ariete.
• Caudal de salida
• Volumen cámara de aire
• Diámetro de la tubería de entrada
• Tiempo de ensamble y desensamble
• Caudal de entrada
• Vida útil de los elementos
• Costo de manufactura o piezas
• Costo de instalación
• Desnivel de trabajo
• Altura de elevación

10.
DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

11.
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
Valoración de las alternativas planteadas
Alternativa 1
Se presenta una válvula de
mariposa, lo que permitiría
regular el caudal sin afectar la
vida útil de esta, pero no existe
esta para conectar a una tubería
de 1”, la válvula de alimentación
y la válvula de desperdicio se
deben construir, lo que significa
un gasto mayor en comparación
a comprar las partes
estandarizadas.

12.
Presenta 3 válvulas de
desperdicio en serie para
aumentar la presión del
golpe de ariete, además de
tubería galvanizada, estos
factores incrementarían el
costo del producto, además
si se usa este modelo es
para alcanzar mayor altura
de salida debido a que se
presentan 3 golpes en un
solo ciclo, su principal
dificultad es el costo de los
elementos.
Alternativa 2

13.
Alternativa 3
En esta alternativa ya se
tienen elementos
normalizados en todo el
ariete y de bajo costo
relativos a usar acero
galvanizado o válvulas que
se deban manufacturar, lo
que la hace una muy buena
opción, la dificultad esta que
la válvula de bola no regula
caudal, ya que para
aumentar su vida útil se debe
tener totalmente abierta o
totalmente cerrada.

14.
Evaluación de conceptos elementos ariete
Válvula de entrada Conceptos
A B C
Criterios de selección de bola
de
mariposa(Ref) de control
Regular caudal 0 0 +
Costo + 0 -
soportar la intemperie + 0 0
Presion soportada 0 0 +
fácil manejo + 0 0
vida util + 0 +
mantenimiento + 0 -
que no produzca
extrangulamiento - 0 +
sumar + 5 0 4
sumar 0 2 8 2
sumar - 1 0 2
Puntuacion neta 4 0 2
Continua? si revisar si
Válvula de alimentación Conceptos
A B C
retención retención
Criterios de selección cheque
de bola
(Ref)
restringida
York
soportar golpe de ariete - 0 +
Presion soportada - 0 +
evitar exesiva resistencia al flujo + 0 0
resistencia a la fatíga 0 0 -
vida util 0 0 0
mantenimiento + 0 +
que no produzca
extrangulamiento - 0 +
sumar + 2 0 4
sumar 0 2 7 2
sumar - 3 0 1
Puntuacion neta -1 0 3
Continua? no revisar si

15.
Tubería E/S Conceptos
A B C
PVC PVC Acero
Criterios de selección alta presión Sanitaria (Ref) Galvanizado
menores perdidas + 0 -
soportar heladas 0 0 0
costo + 0 -
peso + 0 0
soporta presión - 0 +
sumar + 3 0 1
sumar 0 1 6 2
sumar - 1 0 2
Puntuacion neta 2 0 -1
Continua? si no no
Válvula de desperdicio Conceptos
A B C
Válvula Válvula válvula de
Criterios de selección Bamford
de pie
modificada charnela
resistencia alta fatiga + + 0
Regulación - + 0
soporte presion + - 0
mantenimiento 0 + 0
costo - + 0
sumar + 2 4 0
sumar 0 1 0 5
sumar - 2 1 0
Puntuacion neta 0 3 0
Continua? revisar Si no

16.
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
Se elige esta alternativa
debido a que presenta
componentes estándar y
además económicos, como
por ejemplo el cuerpo y
cámara del ariete en PVC que
tiene costo menor a la tubería
galvanizada. Otro elemento
fundamental es la válvula de
desperdicio la cual es
modificar el funcionamiento de
una válvula de pie común,
además las uniones son de
fácil ensamble para si se
necesita realizar limpieza.

17.
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTO
•Tubería de entrada: tubería conduit debido a
que la tubería de entrada no va a soportar
altas presiones, además de su bajo costo, se
encuentra de 1” estandarizado.
• Cuerpo del ariete: tubería RDE 13.5 debido
a la presión de trabajo que soporta (315 Psi
que es mayor a la producida por el golpe de
ariete); se encuentra de 1”
estandarizado, además de todos sus
accesorios para unirlo
• Válvula de apertura: válvula de bola en
PVC, es de bajo costo y su acople es
compatible a la tubería usada
• Válvula de alimentación: válvula restringida
el flujo en una dirección con retención.
• Válvula de desperdicio: válvula de pie
modificada con el fin de regular los golpes por
minuto.
•Tubería de salida: se empleara una
manguera de 1/2’’ ya que no requiere soportar
altas presiones.

18.
Modelo matemático para determinar la presión máxima en el
cuerpo del ariete

19.
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
Diseño cuerpo ariete
Detalle de válvulas
Construcción
Diseño Ariete

20.
El usuario debe verificar que el tanque de almacenamiento este libre de
cualquier tipo de residuos sólidos, con el fin de evitar introducirlos a la
tubería del ariete.
Se debe instalar la manguera de salida hasta el lugar que se desea
transportar el agua, asegurándose que no se presenten dobleces en la
manguera, por que en este punto se podría presentar represamiento de
agua.
Con el fin de conseguir la presión necesaria para empezar el
funcionamiento del dispositivo, se recomienda, tener el tanque con un
volumen mínimo y con la válvula de bola cerrada. Una vez verificada las
condiciones anteriores, se acciona la válvula permitiendo el flujo hacia el
ariete.
El golpeteo se genera inmediatamente y el ariete empieza a bombear el
agua. El dispositivo esta previsto para un continuo funcionamiento.
Si se desea regular el ariete existe un dispositivo de control en la válvula
de desperdicio, el cual aumenta o disminuye la apertura de la misma,
afectando directamente el caudal de salida.
Funcionamiento

21.
Seguridad
El usuario debe evitar fuerzas
externas a la cámara de aire, ya que
su correcto funcionamiento depende
de su posición vertical. Por ningún
motivo, la válvula de desperdicio
debe ser obstruida, de lo contrario el
dispositivo dejara de funcionar. Si se
requiere cambiar alguna pieza por
mantenimiento, hacerlo con el ariete
cerrado, con las válvulas cerradas.

22.
APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
El diseño cumplió con las expectativas
planteadas. Sin embargo, todavía se pueden
hacer mejoras al dispositivo, que no se
contemplaron en este desarrollo.
Si el prototipo fuera a implementarse, se
podrían solucionar problemas de
abastecimiento en zonas rurales. Es una gran
alternativa de bombeo de agua, para el sector
agrario a pequeña escala.

23.
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS DE MATERIALES
Elemento Valor (pesos)
Válvula de pie 30000
Válvula de retención York 13000
Válvula de bola 4000
Tubería RDE 15000
Accesorios RDE 15000
Adaptadores Galvanizados 7000
Manómetros 21000
Manguera (11m) 9000
Soldadura plástica 10000
Total 124000

24.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
•Para el desarrollo de un producto es necesario seguir
una metodología coherente y organizada, de esta forma
se llegara a mejores resultados.
•En la etapa de experimentación, se evidencian algunos
aspectos que pudieron llegar a no ser tenidos en cuenta
anteriormente, y que modifican lo pensado a futuro en el
procedimiento de realización del prototipo a desarrollar.
•A la hora de desarrollar un producto se hace necesario el
consultar el estado del arte, el cual nos puede dar ideas
de funcionamiento y posibles falencias a suplir en el
producto en cuestión.

25.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS
• Válvulas selección, uso y mantenimiento; Richard W. Greene; Editorial Mc Graw
Hill.
• Valve selection Handbook; R. W. Zappe; Editorial Gulf Professional Publishing,
4ta edición.
• Manual del ingeniero Químico; Perry, Robert H; Editorial Mc Graw Hill, tomo 2.
• Diseño y desarrollo de nuevos productos enfoque multidisciplinario; Karl T.
Ulrich; Mc Graw Hill; tercera edición.
•Tuberías Materiales, cálculos hidráulicos, cálculos mecánicos. Jose M. Mayol.
Mallorqui; Editores técnicos asociados s. a. 1981 Mayol Mallorqui, José María.
Tuberías.
• Válvulas, selección y mantenimiento. Richard. W Greene
• Streeter. Mecánica de Fluidos; Capitulo 5 Coeficientes de arrastre.
• Catalogo Válvula Retención York.
• Catalogo Válvula Bola.
• Catalogo PAVCO Tuberías Sanitarias y RDE.

26.
MUCHAS GRACIAS
Daniel Maldonado García
dfmaldonadoga@unal.edu.co
Fabian Otálora
fotalorao@unal.edu.co
Juan Calero
jacaleroa@unal.edu.co