1. BOMBA
DE
ARIETE
Mg. ARRF 1
Mg. Amancio Rojas Flores

2. El ariete hidráulico es una máquina que aprovecha únicamente la
energía de un pequeño salto de agua para elevar parte de su
caudal a una altura superior
Fue inventado en 1796 por Joseph Mantgolfier (1749-1810) y su
ingenio se difundió ampliamente por todo el mundo
Con el tiempo cayó en desuso sobre todo debido al avance
arrollador de la bomba centrifuga.
En la actualidad asistimos a un renacer del interés sobre este
artilugio merced a que es eficiente, ecológico y muy didáctico.
Mg. ARRF 2

3. Una bomba de Ariete Hidráulico, es una máquina que funciona de
modo muy diferente de cualquier otra clase de bomba y no
necesita motor para su funcionamiento. Esto quiere decir que
aprovecha parte del agua para su funcionamiento y entrega el
resto forzando el agua a un nivel mas elevado
Esta maquina puede ser adaptada fácilmente a las condiciones
geomorfológicos e hidrológicas del Perú, al permitir el bombeo
de las partes bajas de los ríos u otros, hacia las zonas altas, con
el fin de satisfacer la provisión de agua
Mg. ARRF 3

4. EL FENÓMENO DEL GOLPE DE ARIETE
Este fenómeno es de naturaleza transitoria y de régimen variable
que es ocasionado cuando se interrumpe o desvía bruscamente
el régimen del movimiento del agua.
El golpe de ariete se produce en los ductos al abrir o cerrar una
válvula, al poner en marcha o al parar una máquina hidráulica, o
al disminuir bruscamente un caudal.
Este fenómeno ocasiona en los ductos fuertes elevaciones de
presiones sobre las paredes de los mismos que muchas veces
no la soportan y traen como consecuencia graves y funestos
resultados.
Mg. ARRF 4

5. DEFINICIONES DE TÉRMINOS EMPLEADOS
ALTURA DE CARGA (H):Llamada también altura de
alimentación, es la caída aprovechable para accionar la
válvula que produce el golpe de ariete en la bomba; esta no
debe ser inferior a 1m. El rango de alturas H varía
comúnmente de 1 a 30m, el funcionamiento de la bomba es
muy inestable. Para aprovechar al máximo esta altura, se
puede “enterrar” el cuerpo de la bomba hasta el nivel de la
válvula de derrame.
CAUDAL DE ALIMENTACIÓN (Q)
Es el caudal que proviene desde la fuente de alimentación
hasta la bomba a través de la tubería de alimentación.
Mg. ARRF 5

6. TUBERÍA DE CARGA (AB)
Es la tubería (llamada también tubería de conducción, la cual
permite conducir el agua desde la fuente de suministro hasta la caja
de válvulas.
CAJA DE VÁLVULAS (E)
Es la estructura metálica perteneciente al cuerpo de la bomba, la
cual alberga en su interior a 3 válvulas; ellas son: la válvula de
cierre, la válvula de derrame y la válvula de aire
VÁLVULA DE CIERRE (G)
Es aquella válvula que comunica la caja de válvulas con el
tanque de aire o acumulador. La válvula de derrame se cierra y
abre en forma alternada con la válvula de cierre.
Mg. ARRF 6

7. ACUMULADOR (F)
Comunica al cuerpo de la bomba de ariete con la tubería de
descarga. Sirve de “pulmón” para bombear agua hacia el tanque en
nivel superior.
TUBERÍA DE DESCARGA (D)
Tubería inclinada que permite conducir el agua desde el cuerpo de
la bomba hasta el tanque elevado.
ALTURA DE DESCARGA (h)
Es la distancia vertical que existe desde el cuerpo de la
bomba hasta el tanque elevado.
Mg. ARRF 7

8. Mg. ARRF 8

9. Mg. ARRF 9

10. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA
BOMBA DE ARIETE
El ciclo se inicia cuando el agua de alimentación U penetra en la
caja de válvula E por medio de la tubería de alimentación A-B
Mg. ARRF 10

11. Si se abre la válvula C, el agua llega alrededor del disco de la
misma y se derrama por ella.
El agua empieza acelerarse haciendo que la presión dinámica
aumente rápidamente, hasta que, por efecto de la fuerza de
arrastre, la válvula de derrame C se cierra casi instantáneamente
y se mantiene así por todo el resto del ciclo, debido a la presión
en la caja de válvula E.
Mg. ARRF 11

12. Mg. ARRF 12

13. Como el agua que entra en la caja tiene una velocidad
considerable, se produce una percusión o golpe de ariete
hidráulico que origina una presión alta sobre el disco de la
válvula G, la cual se abre y se produce un alivio. Esto permite
que una parte del agua pase al acumulador, donde comprimo el
aire a su contenido.
Mg. ARRF 13

14. Mg. ARRF 14

15. El agua sigue fluyendo en su interior hasta que la presión
reduzca la velocidad a cero. Entonces la válvula G se cierra
aprisionando el volumen de agua que penetro y que por
efecto de la elasticidad del aire, es impulsada a través de la
tubería de descarga D hacia el reservorio.
Mg. ARRF 15

16. Mg. ARRF 16

17. Cerrada la válvula G, la depresión oscilatoria (velocidad
negativa) del golpe de ariete hace descender la válvula C, la
cual se abre y permite que el agua se derrame fuera de la caja
de válvulas. En este instante, la válvula C, empieza a cerrarse
por efecto del derrame del liquido, con lo que se repite el ciclo
de trabajo.
Mg. ARRF 17

18. El aire del acumulador F, que permite elevar el agua y
regularizar su velocidad en la tubería de descarga D, se va
disolviendo en el agua, y para evitar que, por su desaparición,
el ariete deje de funcionar, es necesario renovarlo,
manteniendo un cierto volumen.
Este es papel de válvula de aire J, que esta cerrada durante todo
el ciclo, excepto en el instante en que aparece la presión negativa
en el fluido. En ese momento se abre para admitir una pequeña
cantidad de aire.
Mg. ARRF 18

19. Para conseguir que el aparato funcione automáticamente, solo se
tiene que accionar el vástago de la válvula C abriéndola y
cerrándola varias veces .Luego de breves instantes, la bomba
opera automáticamente.
Para interrumpir su trabajo, es suficiente detener el vástago de la
válvula de descarga C, durante un momento, al cabo del cual la
bomba se habrá detenido.
Mg. ARRF 19

20. CONDICIONES DE OPERACIÓN
ALTURA DE ALIMENTACIÓN H
1m ≤ H ≤ 30 m
CAUDAL DE ALIMENTACION Q Y CAUDAL DE DECARGA q
Q ≥ 5 l / min
q ≤ Q/2
RELACION ENTRE ALTURAS DE DESCARGA Y ALIMENTACIÓN (h/H)
4≤ h/H ≤ 30
Mg. ARRF 20

21. NUMERO DE GOLPES POR MINUTO GPM Y TIEMPO DE CICLO
Si el ariete opera con un numero bajo de golpes por minuto el caudal de
bombeo q aumenta .
Por el contrario, a mayor numero de golpes, el funcionamiento es mas
rápido, con lo que se consigue bombear hasta alturas de descarga
mayores. El rango para el numero de golpes se reduce así a:
30 ≤ GPM ≤ 140
ALTURA DE CAÍDA Y CAUDAL DE ALIMENTACIÓN
La altura de caída y el caudal de alimentación representa la energía
disponible, la cual se convertirá en la altura de elevación y caudal de
descarga, estas relaciones se pueden expresar mediante la siguiente
relación.:
Q .H
q =
h .n
Mg. ARRF 21

22. EL ACUMULADOR
Se trata de una cámara de aire. En su interior, un volumen de aire se
comprime y amortigua la onda de presión que el golpe de ariete se genera.
Si el acumulador se llena totalmente con agua, el ariete golpeará
fuertemente, pudiendo producirse su rotura.
Aquí el aire contenido en el acumulador sirve como elemento elástico que
hace que el agua fluya, por la tubería de descarga con una velocidad
aproximadamente constante.
El nivel de agua en el acumulador desciende y asciende a lo largo del ciclo
de trabajo variando entre valores Vmín y Vmáx. La diferencia entre estos
valores representa la cantidad fluctuante de agua en acumulador.
Las variaciones de volumen de aire y agua producen cambios en la
presión del acumulador. La compresión y dilatación se producen de
manera aproximadamente isotérmica, debido al trabajo cíclico del
acumulador, pueden ocurrir fenómenos de resonancia.
Por este motivo debe verificarse que sus dimensiones sean siempre
menores a las correspondientes valores críticos.
Mg. ARRF 22

23. El volumen del acumulador se obtiene de :
Vac = Vm + U
2
donde :
Vac : volumen del acumulador , m3
Vm : volumen medio del acumulador , m3
U : cantidad fluctuante de agua en acumulador , m3
Además:
U = 60 q
gpm
Donde:
q : caudal de descarga , m3/s
gpm : número de golpes por minuto en la bomba
Mg. ARRF 23

24. TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN
Algunos autores proponen la siguiente formula para hallar dicha longitud que es:
Lp = H + 0.3 h ( H)
EFICIENCIA
Para el estudio de la eficiencia del funcionamiento de la bomba , se plantean
dos expresiones de rendimiento . Ambas tiene el debido sustento teórico
Estas son:
Formula de D’ Aubuisson: q∗h
n= × 100%
Q∗H
Donde:
n.: rendimiento de la bomba
q.: caudal de descarga en m3/hr o l/s
h.: altura de descarga en ,m
Q: caudal de alimentación en m3/hr o l/s
H: altura de alimentación en m
Mg. ARRF 24

25. Formula de Rankine:
q ∗ (h − H )
n=
(Q − q ) ∗ H
Aquí se considera que la bomba eleva un caudal q a una altura h-H acosta de
la energía de un caudal Q-q por una altura H.
Como se aprecia, esta expresión es menos completa que la anterior pus
evalúa solo el rendimiento del bombeo, ignorando el rendimiento propulsora
de la bomba.
Experimentalmente se ha verificado que el rendimiento de la parte propulsora
de la bomba de ariete esta en el rango:
0,2≤ n ≤0,70
Mg. ARRF 25

26. Se presentan algunas dimensiones de la bomba de ariete hidráulico
estandarizadas (1)
TAMAÑO φ φ CUERPO φ TUBERÍA
DE LA BOMBA EXTERIOR TUB. DE DE DESCARGA
ALIMENTACIÓN (Pulg) (Pulg)
(mm)
BAH 1 ¼ 42 2 1/2
BAH 1 ½ 48 2½ 3/4
BAH 2 60 3 1
BAH 2 ½ 73 4 1
BAH 3 88.5 6 1½
BAH 4 114 8 2
BAH 6 168 10 3
BAH 8 219 12 3
BAH 10 273 14 4
BAH 12 323 16 5
BAH 20 403 20 10
(1) tomado de los diseños de la PUCP
Mg. ARRF 26

27. LA VÁLVULA DE DERRAME
Se le considera el componente más importante de la bomba de ariete
hidráulico. Su papel es el de proporcionar el golpe de ariete necesario para
bombear el agua y además permite la regulación de la capacidad de la
bomba al modificar la carrera de su vástago y las fuerzas que actúan sobre
ella.
Los parámetros que intervienen en el diseño de esta válvula son: diámetro
de vástago y tuercas, carrera y fuerza del resorte, área del platillo y
coeficiente de arrastre sobre el platillo, peso de las válvulas.
La condición que se debe cumplir viene dada por el equilibrio de la fuerza
hidráulica con el peso de la válvula y con la fuerza del resorte en la apertura
o cierre de la válvula.
Mg. ARRF 27

28. Tabla N° Dimensiones estandarizadas de la Válvula de derrame
φ del Long. de Peso Resorte
Tamaño vástago φ tuerca Vástago vástago φ Interior
bomba Pulg mm mm (mm) (N) (mm)
11/2 3/
8 10 M10 160 1,80 12,2
2 1/ 13 M12 180 2,70 15,2
2
21/2 5/
8 16 M16 180 4,70 19,2
3 3/ 19 M20 200 8,30 24,4
46
4 1 25 M30 220 11,0 35,4
6 11/2 38 M36 240 14,4 42,4
8 2 51 M48 280 17,2 56,6
10 21/2 64 M56 300 20,9 66,6
20 41/2 115 ----- 1200 970,9 127,0
Mg. ARRF 28

29. VÁLVULA DE DESCARGA
El papel de esta válvula es el de evitar que el agua bombeada regrese a la
bomba después de cada ciclo de trabajo. El caudal que circula por ella es
menor al caudal de alimentación y en el mejor de los casos llegará a ser la
mitad. Por ello el área de la válvula de descarga es menor que el área de la
válvula de derrame.
Los parámetros que intervienen en su diseño son: el área de paso y el
platillo, la carrera del vástago y su diámetro. Sus componentes son: asiento
A, platillo P, vástago V, guía G, tuercas T y arandelas.
En tabla N° 7se muestran las dimensiones estandarizadas de las válvulas
de descarga para cada tamaño de bomba de ariete.
Mg. ARRF 29

30. TABLA N° Dimensiones estandarizadas de la válvula de descarga
Tama φ vástago Longitu φ del
ño de la d de vástago platillo
pulg. mm
bomba (mm) (mm)
11/2 5/16 M8 50 50
2 3/8 M10 60 60
21/2 1 /2 M12 70 80
3 5/9 M16 80 100
4 7/8 M24 110 150
6 1 M30 130 180
8 1 1/4 M36 150 240
10 1 1/2 M42 180 280
12 2 M48 200 340
20 3 1/2 -.- 500 570
Mg. ARRF 30

31. BOMBAS DE ÉMBOLO
Mg. ARRF 31

32. En las bombas de émbolo el líquido es desalojado de las cámaras
de trabajo por el movimiento alternativo de un pistón, accionado por
un mecanismo biela manivela, aunque también se pueden utiliza
otros mecanismos, como levas, excéntricas, etc.
En las bombas de émbolo más usuales existen válvulas de
aspiración y de impulsión que regulan el movimiento del líquido a
través de la cámara de trabajo que, mientras se está llenando, la
válvula de aspiración permanece abierta y la de impulsión
cerrada, invirtiéndose la posición de las válvulas durante el
desalojo o impulsión del líquido; estas válvulas sólo se abren por
la acción del gradiente de presiones, y se cierran por su propio
peso o por la acción de algún mecanismo con muelle.
Mg. ARRF 32

33. Según el número de cámaras de trabajo se dividen en bombas de
simple efecto (z = 1) y de doble efecto (z = 2).
En la bomba de simple efecto, el líquido se impulsa únicamente
durante media vuelta de la manivela, por cuanto, en la segunda
media vuelta, el líquido se aspira, existiendo en consecuencia
una gran irregularidad en el suministro, Fig 1.
Mg. ARRF 33
Fig 1- Esquema de bomba de émbolo de simple efecto

34. Para la bomba de doble efecto, Fig 2, el suministro durante una
vuelta se reduce por dos veces a cero, y también, por dos veces,
alcanza el valor máximo, siendo su irregularidad menor que para
el caso de simple efecto, pero aún así es demasiado grande, por
cuanto la presión del líquido junto al émbolo varía fuertemente
debido a la corriente irregular en las tubería
Mg. ARRF 34

35. Fig 2a- Esquema de cuerpo de bomba de émbolo de doble efecto
Mg. ARRF 35

36. Fig 2b.- Esquema de cuerpo de bomba de émbolo de doble efecto
Mg. ARRF 36

37. Durante el movimiento acelerado del émbolo, y en consecuencia, del
líquido en la tubería de aspiración, tiene lugar una caída de presión
junto al émbolo que puede provocar cavitación, e incluso, separación
del líquido de la superficie del émbolo, consumiéndose una potencia
suplementaria en el aumento periódico de las pérdidas de carga por
rozamiento del líquido contenido en las tuberías de aspiración e
impulsión.
Mg. ARRF 37

38. Las bombas de émbolo pueden crear presiones de miles de
atmósferas, siendo de entre todas las bombas existentes, las
que poseen mayor impulsión; normalmente funcionan con
números de revoluciones bajos, del orden de 300 a 500 rpm, ya
que si las revoluciones son más altas, se puede llegar a alterar el
funcionamiento normal de las válvulas de aspiración e impulsión,
debido a esta marcha lenta, sus dimensiones resultan bastante
mayores que las de una bomba centrífuga que funcione en las
mismas condiciones de caudal y altura manométrica
Mg. ARRF 38

39. CAUDAL.- Si se supone que la longitud L de la biela es muy
grande en comparación con la longitud de la manivela, se puede
considerar que la velocidad de desplazamiento del émbolo varía
según una ley senoidal en función del ángulo de giro de la
manivela ϕ, o del tiempo.
La velocidad instantánea del émbolo sigue una ley senoidal y
se define en la forma
dx
V = Siendo x = r (1 − cos ϕ )
dt
dϕ
dϕ ω=
V = r senϕ además dt
dt
π . r. n
V = r ω senϕ V = senϕ
Mg. ARRF
30 39

40. Mg. ARRF 40

41. La velocidad instantánea del émbolo se define en la forma
π . r. n
V = senϕ
30
y dado que (v = 0) para ϕ = 0 y ϕ = π, y existiendo un máximo entre
estos valores para ϕ = π/2 resulta:
π π . r. n
Vmáx = r ω sen = rω =
2 30
Mg. ARRF 41

42. Para un recorrido infinitesimal del pistón (dx = dc)
se tiene un volumen dV de líquido
dV = Ωdc Siendo dc = vdt = r.ω. senϕ dt
dV = Ω. rω senϕ dt dϕ
además ω=
dt
dV = Ω. rsenϕ dϕ
y para una revolución del cigüeñal:
π
V = ∫ Ω r senϕ dϕ = 2 Ω r = Ω c
0
Mg. ARRF 42

43. El caudal instantáneo qi no es constante, sino que sigue una ley
senoidal, de la forma:
dV
qi = = Ω rω senϕ
dt
Los caudales aspirado e impulsado en la bomba de simple efecto son:
Vn Ω c n Ωcn
q asp = = q imp = η vol
60 60 60
Mg. ARRF 43

44. mientras que para la de doble efecto, Fig 2a:
Ω c n (Ω − a ) c n 2 Ω − a π cn
q asp =
60
+
60
=
60
cn =
240
2D 2 − d 2 ( )
2Ω− a
q imp =
60
(
c nη vol = 0,0131 2 D 2 − d 2 η vol )
y para la de doble efecto, Fig 2b
q asp =
π cn
240
(2D 2
−d −d
2 *2
)
Mg. ARRF 44

45. siendo:
Ω la sección transversal del pistón en m2
c la carrera, en metros
a la sección del eje del émbolo
n el número de revoluciones por minuto del cigüeñal
no dependiendo de la presión creada por la bomba.
Mg. ARRF 45

46. Si se desea aumentar el caudal, sin modificar excesivamente las
dimensiones de la máquina, hay que aumentar n, pero procurando
que la velocidad media del émbolo no exceda de 1,5 m/seg.
La tendencia actual señala un progreso en el sentido de obtener
velocidades medias del émbolo mayores que las indicadas,
disminuyendo así las dimensiones y el peso de la bomba.
La regulación del caudal se puede hacer modificando el nº de rpm
del cigüeñal, o mediante un bypass, haciendo que parte del
caudal impulsado vuelva otra vez a la cámara de aspiración.
El caudal real q permite obtener rendimientos volumétricos que
oscilan entre el 0,85 y el 0,99, siendo mayor en aquellas
bombas cuyo émbolo tenga mayor diámetro, y menor cuanto
más pequeña sea la viscosidad del líquido.
Mg. ARRF 46