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“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MODULO DE BOMBEO IMPULSADO POR UN MECANISMO AEROHIDRAULICO PARA

RIEGO LOCALIZADO”

AUTORES

CUYUTUPA GÓMEZ, Elvis Oscar cuyu_ice_man@hotmail.com GARGATE VÁSQUEZ, Miguel Angel spike1507@hotmail.com ROJAS ASTO, Pavel pavel134@hotmail.com SOTO TARAZONA, Raúl Ames starfim@hotmail.com

ASESORES

Ing. TAIPE CASTRO, José Antonio jataipe@hotmail.com Ing. RIVEROS CAYLLAHUA, Nicanor nicoriverc@hotmail.com

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

RESUMEN

El presente proyecto consiste en el diseño y construcción de un módulo de bombeo para riego localizado, que será impulsado a través de un mecanismo hidráulico, el cual utilizará la energía eólica para su accionamiento de la bomba de soga y así transportar además de distribuir el agua que se aprovechará en el riego localizado. Es necesario utilizar la energía no convencional para elevar la producción agrícola, la misma que nos motiva a diseñar y construir un sistema de riego eficiente y adaptable en terreno en donde la fuente de agua esta en un nivel inferior a la ubicación del terreno. Esto será posible gracias a que la energía cinética del viento se puede transformar en energía mecánica, para ello se utilizará una torre en cuya parte superior existirá un rotor con múltiples palas orientadas en la dirección del viento. La energía mecánica obtenida será multiplicada por un sistema hidráulico de pistones y un actuador del tipo motor hidráulico para obtener un gran torque, el cual utilizaremos para accionar la bomba de soga que se encargara de trasladar el agua hacia un tanque de almacenamiento que se encontrará ubicado en la parte alta del terreno y esta será distribuida por medio de conductos a los plantaciones mediante el riego localizado, el cual reducirá la perdidas de agua durante el riego.

ABSTRACT The present project consists on the design and construction of a module of pumping for located watering that will be impelled through a hydraulic mechanism, which will use the eolic energy for its working of the rope bomb and this way to transport besides distributing the water that will take advantage in the located watering. It is necessary to use the non conventional energy to elevate the agricultural production, the same one that motivates us to design and to build a system of efficient and adaptive watering in land where the water fountain this in an inferior level to the location of the land. This will be possible thanks to that the kinetic energy of the wind can transform in mechanical energy, for it will be used it a tower in whose part superior a rotor will exist with multiple shovels guided in the address of the wind. The mechanical obtained energy will be multiplied by a hydraulic system of pistons and an actuador of the type hydraulic motor to obtain a great torque, which we will use to work the rope bomb that took charge of transferring the water toward a storage tank that will be located in the high part of the land and this it will be distributed by means of conduits to the plantations by means of the located watering, which will reduce the lost of water during the watering.

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INTRODUCCIÓN Es conocido que en estos momentos el problema recursos hídricos es de suma importancia, es por eso que se debe de desarrollar investigaciones para tratar de aprovecharla de manera racional y evitar desperdiciarla. Es cotidiano observar en la agricultura el mal uso que hacen los agricultores con este recurso ya que para regar sus cultivos lo hacen mediante riego por inundación, con esta forma de riego se registra una alta pérdida del agua. Por este motivo el objetivo de nuestra investigación es diseñar un modulo de bombeo para riego localizado impulsado por un mecanismo aerohidráulico, el cual permitirá regar los cultivos solo con el liquido necesario y directamente a las raíces de los sembríos, de esta manera se podrá aprovechar el agua de riego de una manera racional. En las zonas alto andinas del Perú el uso del recurso hídrico es disponible solo desde canales, pozos o ríos desde los cuales es difícil su aprovechamiento, los agricultores que tienen este tipo de problemas generalmente hacen uso de las motobombas pero esto les ocasiona gastos para su funcionamiento y mantenimiento, además de la contaminación del medio ambiente. Entre las tecnologías limpias desarrolladas para solucionar este tipo de problemas se tiene la Bomba de Soga, cuya construcción no genera elevados gastos, es de fácil mantenimiento y no contamina sus alrededores, pero tiene como limitación producir grandes caudales, ya que mayormente su uso es manual. Para obtener un mayor rendimiento de esta bomba es necesario una determinada velocidad de giro de la polea motriz, esto es posible haciendo uso de la energía eólica que pocas veces es aprovechada en la sierra peruana. El aprovechamiento de esta energía consiste en hacer girar una hélice que transmitirá este movimiento rotacional a un sistema hidráulico de pistones y un actuador del tipo motor hidráulico que multiplicará la fuerza proporcionada y hará girar la polea motriz con la velocidad requerida para obtener el caudal de agua necesario para el riego.

DESARROLLO DEL TRABAJO Para el sistema presentado se desarrollara el cálculo y análisis de las principales partes que trabajarán en las zonas más criticas los cuales son la maquina eólica (triangulo de velocidades)

el sistema hidráulico la bomba de soga y el sistema hidráulico. DISEÑO MECÁNICO

MAQUINA EÓLICA

CALCULO DE LA POTENCIA DE ACCIONAMIENTO EN EJE DE LA MAQUINA EÓLICA El cálculo de las velocidades de la máquina eólica están regidas por la ecuación de Euler, y a continuación se presenta el triangulo de velocidades obtenidas del perfil del alabe de la maquina eólica:

Figura 01: Triangulo de velocidades

Según los parámetros requeridos para el triangulo de velocidades se ajustan los puntos mediante una regresión cúbica que es la que mas se asemeja al perfil del alabe, esto se realiza en una hoja milimetrada, para obtener su ecuación y así los ángulos de ingreso del aire.

Figura 02: Determinación de la ecuación del perfil del alabe

619226.16391273.27878815.0080974.0 23 +−+−= XXXY(1)

Para este caso UUU == 21

1α2α1W2C

U

2W

1C

3

Para los cálculos se observa

� 11 αtgUW ⋅= (2)

� 122

212 )1( ααα tgctgtgUW +−⋅= (3)

� )(sec 11 αUC == (4)

� )csc( 212 αα ⋅= tgUC (5)

La ecuación de Euler:

� g

CCUnHn h

)coscos( 1122 αα −=

(6) La potencia de accionamiento será:

� HnQnPa ⋅⋅⋅= γ

� ω⋅= MPa

La velocidad del viento en Huancayo será:

ESTACIONES E F M A M J

HUANCAYO 0,9 0,8 0,8 0,6 0,8 0,7

ESTACIONES J A S O N D

HUANCAYO 1 1,1 1,2 1,2 1,4 1,1

Tabla 01: Velocidades medias del viento en Huancayo

Para 1α = 8º y 2α = 7º

� mHn 40734.0=

� wattsPa 27.5=

� mNM .6.0=

Figura 03: Perfil de la alabe de la maquina eólica

Figura 04: Maquina eólica

MECANISMO MANIVELA CORREDERA Para el sistema de transmisión de la potencia obtenida en el eje de la maquina eólica se a diseñado un mecanismo manivela corredera

Figura 05: Mecanismo manivela corredera

4

El mecanismo cuenta con las siguientes dimensiones:

ESLABÓN 2

Longitud 2 (m) 0,1

ϖ 2 (rad/s) 6,2832

α2 (rad/s2) 0

ESLABÓN 3

Longitud 3 (m) 0,3

ESLABÓN CORREDERA 4

Tabla 02: Dimensiones del mecanismo Análisis cinemático y cinético del sistema de barras para obtener las velocidades, aceleraciones y fuerzas máximas Longitud 2 0,1 0,1 0,1 0,1

θθθθ 2 0 36 108 180

ϖ 2(rad/s) 6,2832 6,2832 6,2832 6,2832

α2 0 0 0 0

ESLABÓN 3

Longitud 3 0,3 0,3 0,3 0,3

θ3 (deg) 0,0000 -11,2990 -18,4827 0,0000

ESLABÓN 4

θ 4pendiente 0 0 0 0

ϖ 3 -2,0944 -1,6944 0,6472 2,0944

α3 0,0000 7,7251 12,5132 0,0000

Velocidad 4 0,0000 -0,3711 -0,5965 0,0000

Aceleración 4 -5,2638 -4,0472 1,1154 2,6319

Longitud 2 0,1 0,1 0,1 0,1

θθθθ 2 216 270 324 359

ϖ 2(rad/s) 6,2832 6,2832 6,2832 6,2832

α2 0 0 0 0

ESLABÓN 3

Longitud 3 0,3 0,3 0,3 0,3

θ3 (deg) 11,2990 19,4712 11,2990 0,3333

ESLABÓN 4

θ 4pendiente 0 0 0 0

ϖ 3 1,6944 0,0000 -1,6944 -2,0941

α3 -7,7251 -13,1597 -7,7251 -0,2292

Velocidad 4 0,3676 0,6283 0,3711 0,0110

Aceleración 4 2,3405 0,0234 -4,0472 -5,2628

Tabla 03: Análisis cinemático del mecanismo

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380

Variación de angulos eslabon 2

Vel

ocid

ad e

slab

ón

4

Figura 06: Grafica de la variación de velocidades de la corredera en función a la variación de ángulos.

-6,00

-5,00

-4,00

-3,00

-2,00

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Variación de angulos eslabon 2

Ace

lera

ción

esl

abón

4

Figura 07: Grafica de la variación de aceleraciones de la corredera en

función a la variación de ángulos. • De estos cálculos se obtiene:

� Velocidad máxima: 0.6283 m/s � Aceleración mínima 4 : 0 m/s2 � Aceleración máxima 4 : 5.2638 m/s2 � Aceleración angular 3 (α3) en aceleración

mínima 4: 13.1597 rad/s2 � Aceleración angular 3 (α3) en aceleración

máxima 4: 0 rad/s2 A continuación se obtienen las fuerzas (N) en el sistema manivela corredera: o En α3 = 13.1597 rad/s2

� 2015.012 =xF

� 6114.012 −=yF

� 2015.032 −=xF

� 6114.032 =yF

� 0678.043 =xF

� 2378.043 −=yF

� 2378.014 −=yF

� 5798.0=PF

5

o En α3 = 0 rad/s2

� 913.212 −=xF

� 012 =yF

� 913.232 =xF

� 032 =yF

� 306.143 =xF

� 043 =yF

� 014 =yF

� 6.0=PF

Con las fuerzas obtenidas se realizo el análisis de esfuerzos con la ayuda del software COSMOS-WORKS. Para la elección de los materiales de estos eslabones, nos basamos en metales estándares que comercializan en nuestro país, con lo cual la construcción se realizará solo con materiales que ofrece en el mercado peruano.

Figura 08: Análisis de esfuerzos en el eslabón 3 del mecanismo

Figura 09: Análisis de esfuerzos en el eslabón 2 del

mecanismo

El cual nos muestra que el material usado el AISI 1020 y en las dimensiones trabajadas resultan con un factor de seguridad aceptable y no fallara

SISTEMA HIDRÁULICO El diseño del sistema hidráulico, está basado en el principio básico de la Ley de Pascal, para lo cual consideramos los siguientes datos:

� Diámetro del pistón M � Diámetro del vástago N � Volumen absorbido por la bomba VA

Además de obtener los siguientes datos del la maquina eólica:

� Fuerza de accionamiento Fe � Velocidad vástago V

Haciendo uso de las siguientes formulas: � Presión en el área mayor

2

4

M

FP M

M π= (7)

� Presión en el área menor

)(

422 NM

FP M

N −=

π (8)

� Torque en el área mayor

π29996.0 M

M

PVAT = (9)

� Torque en el área menor

π29996.0 N

N

PVAT = (10)

� Caudal en el área mayor

2

3 2VMQM

π= (11)

� Caudal en el área menor

2

)(3 22 VNMQN

−= π (12)

6

� Revoluciones por minuto con caudal mayor

VA

Qn M

M

1000= (13)

� Revoluciones por minuto con caudal menor

VA

Qn N

N

1000= (14)

Para el sistema hidráulico, se tiene los siguientes datos: � cmM 12=

� cmN 2=

� KgfFe 657.1=

� 33000cmVA=

� smV 6283.0=

Se obtienen los siguientes resultados:

QM (l/min) 426,3543

QN (l/min) 414,5112

PM (bar) 0,0147

PN (bar) 0,0151

TM (N m) 0,6993

Tn (N m) 0,7192

RPMM 142,1181

RPMN 138,1704

PotenciaM 10,4068

PotenciaN 10,4068

Tabla 04: Resultados obtenidos haciendo uso del sistema hidráulico

Figura 10. Sistema Hidráulico

Figura 11: Pistón de doble acción usado en el sistema hidráulico

BOMBA DE SOGA Obteniendo los RPMN y TorqueN del sistema hidráulico, se aprovechan para impulsar la bomba de soga, además se consideran los siguientes datos:

� Radio de transmisión hidráulico Rt � Radio de transmisión de bomba Rb � Radio de polea Rp � Altura de bombeo H � Distancia entre pistones h � Espesor de pistones e � Diámetro de tubería d

Se hace uso de las siguientes formulas:

� RPM de la polea de la bomba

b

thb R

RRPMRPM = (15)

� Numero de pistones

eh

HNp +

= (16)

� Velocidad de pistones

30

πpbp RRPMV = (17)

� Fuerza entregada por el sistema hidráulico

p

hh V

PF = (18)

7

� Fuerza necesaria para elevar agua

4

2dhNF paguan

πγ= (19)

� Caudal bombeado

pVeh

hdQ

)(4

2

+= π

(20)

Asumiendo los siguientes datos:

� 9

1=b

t

R

R

� mRp 23.0=

� mH 3=

� mh 1.0=

� me 03.0=

� "5.10381.0 == md RPM de transmisión bomba soga 15,3523

Numero de pistones 24 Velocidad entregada de sistema hidráulico (m/s) 0,3698

Fuerza entregada de sistema hidráulico (N) 28,1441

Fuerza necesaria para elevar agua (N) 26,7157

Caudal (l/s) 0.3228 Tabla 05: Resultados obtenidos haciendo uso de la bomba.

Figura 12: Diseño de la bomba de soga

SISTEMA DE RIEGO

Según los datos obtenidos en el caudal y altura de bombeo se seleccionara un sistema de riego localizado existente en el mercado los cuales requieren parámetros de presión y caudal los cuales son obtenidos P=0.3 bar. El sembrio para el cual será probado el sistema será el maíz que se siembra aproximadamente cada 0.5m entre surcos. Componentes de las instalaciones de riego localizado Una instalación de riego localizado consta básicamente de tres tipos de componentes: el cabezal de riego, la red de distribución de agua y los emisores.

Figura 13: Componentes de una instalación de riego localizado

Volumen de suelo humedecido Tenemos que establecer un mínimo de volumen de riego a humedecer, que tendrá que ser suficiente para garantizar el suministro de agua necesario para un óptimo desarrollo. El volumen de suelo humedecido se sustituye por el de porcentaje de suelo mojado, que es la relación expresada en % entre el área mojada por los emisores y el área total regada. El valor de porcentaje mojado mas apropiado depende del tipo de cultivo (frutales, cultivos herbáceos), clima (húmedo, árido) y del tipo de suelo. En este caso nosotros analizaremos el cultivo de maíz en el cual el valor del porcentaje de suelo humedecido que se les asigna a estos cultivos esta comprendido entre un 70% y 90% pudiendo variar en algunas ocasiones Frecuencia de riego Para conseguir un alta eficiencia de riego en el cultivo de maíz se debe aportar el agua en riegos cortos muy frecuentes esto en algunas ocasiones depende del suelo, del clima y la duración de riego en el cultivo de maíz será en intervalos de 3 y 4 días.

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Para lograr una buena uniformidad será necesario:

� Que todos los emisores de la instalación sean de buena calidad

� Que la presión del agua en todos los emisores sea lo mas parecida posible.

El agua en su recorrido por la red va perdiendo presión debido al rozamiento, cambios bruscos de dirección, pasos por filtros, etc. La distancia entre emisores también condiciona la longitud del lateral, de tal manera que cuanto más distanciados estén los emisores, mayor longitud podrá tener la tubería lateral. La distancia entre emisores, el caudal que suministran y la distancia entre tuberías laterales, se determinan en función del tipo de suelo, forma del bulbo a humedecer y marco de plantación o siembra, y no se debe modificar por criterios hidráulicos de ahorro de agua o comodidad.

RESULTADOS Y DISCUSIONES Para la velocidad del viento de la zona de Huancayo, se obtuvieron los siguientes valores:

� 40734.0)( =mHn

� 27.5)( =WPa

� 6.0)( =mNM

Debido a que no se encontró bibliografía especializada en el diseño de alabes e ajustó una curva cúbica la cual es:

619226.16391273.27878815.0080974.0 23 +−+−= XXXY Gracias a esta ecuación se pudo iniciar con los cálculos, obteniéndose los resultados arriba mencionados. El mecanismo manivela corredera fue diseñado, de manera que cumple con las expectativas de factores de seguridad debido a que el material escogido es de alta resistencia para el trabajo indicado. Además el mecanismo cumple con la función de transmitir el movimiento rotativo de la maquina eólica en lineal. Debido a los valores obtenidos en el mecanismo corredera manivela son bajos para accionar directamente la bomba de soga, es por eso que se acoplo al sistema hidráulico en donde se obtuvieron los siguientes valores:

� QM (l/min) = 426,3543

� QN (l/min) = 414,5112 � PM (bar) = 0,0147 � PN (bar) = 0,0151 � TM (N m) = 0,6993 � Tn (N m) = 0,7192 � RPMM = 142,1181 � RPMN = 138,1704 � PotenciaM = 10,4068 � PotenciaN = 10,4068

Asumiendo el valor de RPMN y TorqueN por ser el peor caso (velocidad mínima) y acoplándolo a la bomba de soga se obtienen los siguientes valores:

� RPM de transmisión bomba soga = 15,3523 � Numero de pistones = 24 � Velocidad entregada de sistema hidráulico

(m/s) = 0,3698 � Fuerza entregada de sistema hidráulico (N)

= 28,1441 � Fuerza necesaria para elevar agua (N) =

26,7157 � Caudal (l/s) = 0.3228

Con el caudal obtenido en la bomba de soga se pudo almacenar 1162.08 l/h, el cual va a satisfacer la demanda para el riego por bombeo, que requiere un 80% de suelo humedecido, para que el cultivo pueda crecer en optimas condiciones. Además se considera que la duración de riego en el cultivo de maíz será en intervalos de 3 y 4 días. El modulo fue construido en prototipo, por lo cual ahora estamos realizando algunas modificaciones para un mejor desempeño del modulo.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

� El diseño de la maquina eólica cumple con nuestras especificaciones de potencia y velocidad angular.

� El diseño de la maquina eólica multipala

trabajo eficientemente para los vientos de nuestra zona, debido a la baja intensidad de los vientos.

� El perfil que se diseñó para la maquina eólica

resulto trabajar de manera eficiente para los parámetros requeridos.

� Los materiales con los que se trabajó pueden

obtener fácilmente en el mercado peruano, ya que están estandarizados. El cual es el AISI 1020.

� El diseño del sistema hidráulico es el

encargado de multiplicar las fuerzas que se obtiene del molino de viento, a través de un mecanismo corredera manivela, para generar

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un torque alto a bajas revoluciones en comparación a la maquina eólica, este torque será utilizado para impulsar la bomba de soga, mediante un motor hidráulico.

� Se escogió un motor y no un cilindro

hidráulico como actuador debido a que el motor hidráulico presenta una mayor eficiencia durante su funcionamiento a elevados torques.

� Se considero un mecanismo para

aprovechar la potencia del viento en todos los sentidos, esto de aprecia en que la maquina eólica puede gira 360º sobre su eje.

� La bomba de soga satisface los

requerimientos de caudal que se necesita durante el riego, para esto se debe de tener en cuenta los diferentes parámetros descritos durante el desarrollo de este investigación, puesto que durante los cálculos se aprecio que cada parámetro es importante para un mayor o menor obtención de caudal.

� Se debe tener en cuenta siempre el tipo

de sembrio puesto que cada uno de ellos cuenta con diferentes parámetros de riego.

� Es recomendable que El fluido

utilizado en el sistema hidráulico para la transmisión de fuerzas sea la hidrolina debido a las características especiales que esta posee.

� Se tiene que tener en cuenta la altura a

la que se bombea el agua (altura del

tanque de almacenamiento), para obtener una presión necesaria, con la cual el agua llegue hasta el gotero mas lejano.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

1. “Mandos Hidráulicos”, TECSUP, Convenio

de Cooperación Técnica TECSUP/BID, 2000 2. “Estática”, Ferdinand Beer-Russell Johnston,

Mc Graw Hill, 1996 3. “Energía Eólica”,Patricio Valverde Megías,

Agencia de Gestión de Energía de la Región de Murcia, 2001

4. “Riego localizado”, Rodrigo López J. – Cordero Ordoñez, Ediciones Mundi Prensa, Segunda edición, 2002.

5. “Seminario energía eólica”, Dr. Vassili Samsonov, Pontificia universidad Catolica del Perú, 1990.

6. “Diseño de maquinaria”, Robert L. Norton, Mc Graw Hill, 1995

7. “Aprovechamientos hidroeléctricos y de bombeo”, Humberto Gardesa Villegas

8. “Diseño de maquinas eólicas de pequeña potencia”, Mario Rosato, Progensa, 1991

9. http://html.rincondelvago.com/actuadores.html

10. http://tilz.tearfund.org/Espanol/Paso+a+Paso+6-10/Paso+a+Paso+7/Tecnolog%C3%ADa +para+riego+de+huertos.htm

11. http://habitat.aq.upm.es/bpal/onu00/bp595.html

12. http://tecnicaoleohidraulica.com/h_03_motores_eng.htm