UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR Departamento De Ingeniería Térmica y de Fluidos Área de Ingeniería Térmica TRABAJO FIN DE GRADO ESTUDIO, PUESTA EN FUNCIONAMIENTO Y EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO PARA UNA BOMBA DE MECATE Autor: SERGIO MEDINA DE MIGUEL Director: ULPIANO RUIZ-RIVAS HERNANDO Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate Título: Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate Autor: Sergio Medina de Miguel Director: Ulpiano Ruíz-Rivas Hernando EL TRIBUNAL Presidente: ______________________________________ Vocal: ______________________________________ Secretario: ______________________________________ Realizado el acto de defensa y lectura del Trabajo de Fin de Grado el día __ de _______ de 20__ en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIÓN de VOCAL SECRETARIO PRESIDENTE 2 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate 3 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate AGRADECIMIENTOS En primer lugar, agradecer a mi tutor, Ulpiano Ruiz-Rivas, la posibilidad de realizar este proyecto con fines solidarios a través de la asignatura Tecnologías apropiadas para el desarrollo. El espíritu altruista del grupo involucrado es digno de admirar. Por el lado personal, agradecer a mis padres y hermana el esfuerzo y el apoyo sin límites que me han permitido elegir siempre aquello que he querido. Amigos y compañeros que me han ayudado durante esta etapa de mi vida. Justo al final de ella tengo una mención especial, gracias Alba, por seguir aprendiendo de ti. 4 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate ÍNDICE 1. Introducción ............................................................................................................................... 9 2. Situación y medios actuales ............................................................................................. 11 2.1 Agua mundial. Informe de desarrollo humano 2006 ......................................................... 11 2.1.1 Análisis sobre la problemática del agua ......................................................................... 12 2.2 Abastecimiento en los países subdesarrollados .................................................................. 15 2.2.1 Fuente origen del agua ........................................................................................................... 16 2.2.1.1 Agua atmosférica .............................................................................................................................. 16 2.2.1.2 Agua gris ............................................................................................................................................... 17 2.2.1.3 Agua subterránea.............................................................................................................................. 17 2.2.1.3.1 Tecnología para el abastecimiento de agua subterránea ....................................... 17 2.2.1.3.2 Fuentes de energía para los sistemas de bombeo ..................................................... 21 2.2.2 Demanda de agua ..................................................................................................................... 22 2.2.3 Localización en relación con servicio técnico. Concepto VLOM ........................... 22 2.2.4 Aceptabilidad de los usuarios ............................................................................................. 24 2.2.5 Precio ............................................................................................................................................ 24 2.2.6 Acuerdos y disposiciones institucionales ...................................................................... 25 2.3 Modelos de bombas manuales ..................................................................................................... 25 2.3.1 Bombas recíprocas o de émbolo ........................................................................................ 25 2.3.1.1 Bombas de succión ............................................................................................................................ 27 2.3.1.2 Bombas de acción directa .............................................................................................................. 28 2.3.1.3 Bombas de pozo profundo ............................................................................................................. 30 2.3.2 Bombas manuales de desplazamiento ............................................................................ 32 2.3.2.1 Bombas de diafragma ...................................................................................................................... 32 2.3.3 Bombas manuales de rotación ............................................................................................ 33 2.3.3.1 Bomba de cubo y cuerda ................................................................................................................. 33 2.3.3.2 Bomba de Mecate ............................................................................................................................... 34 2.3.3.2.1 Descripción y principio de funcionamiento ................................................................. 34 2.3.3.2.2 Comparación Bomba de Mecate con Bombas recíprocas ....................................... 37 2.3.3.2.3 Normas de diseño, problemas frecuente y coste ....................................................... 38 2.3.3.2.4 Variantes de diseño actuales ............................................................................................... 41 2.3.3.2.5 Modelo de funcionamiento .................................................................................................. 44 3. Caracterización de la instalación .................................................................................. 49 3.1 Revisión y acciones iniciales ........................................................................................................ 49 3.1.1 Antecedentes. Instalación inicial ....................................................................................... 49 3.1.2 Tareas menores. Puesta a punto ........................................................................................ 50 3.1.3 Propuesta inicial de alternativas de diseño .................................................................. 51 3.1.3.1 Desagüe .................................................................................................................................................. 52 3.1.3.2 Rueda....................................................................................................................................................... 60 3.1.3.3 Manivela ................................................................................................................................................. 61 3.1.3.4 Cojinetes................................................................................................................................................. 62 3.1.3.1 Estructura.............................................................................................................................................. 68 3.1.3.5 Freno ....................................................................................................................................................... 70 3.2 Caracterización inicial ..................................................................................................................... 72 3.2.1 Caracterización previa ........................................................................................................... 72 3.2.1.1 Caudal de pérdidas en estático .................................................................................................... 72 3.2.1.2 Caudal de pérdidas en función de la frecuencia ................................................................... 74 3.2.2 Realización ensayo 1. Caudal de pérdidas en estático .............................................. 77 3.2.2.1 Técnica de medida ............................................................................................................................. 77 3.2.2.2 Resultados y comparación con los resultados anteriores ............................................... 78 5 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate 3.2.2.3 Conclusiones ........................................................................................................................................ 79 3.2.3 Realización de ensayo y análisis del caudal de pérdidas en función de la frecuencia ............................................................................................................................................... 79 3.2.3.1 Técnica de medida ............................................................................................................................. 80 3.2.3.2 Resultados y conclusiones de los ensayos de caudal de pérdidas en función de la frecuencia ............................................................................................................................................................. 81 3.3 Alternativas de diseño .................................................................................................................... 84 3.3.1 Cuerda y pistones ..................................................................................................................... 84 3.3.1.1 Justificación .......................................................................................................................................... 84 3.3.1.2 Proceso de fabricación .................................................................................................................... 85 3.3.2 Rueda ............................................................................................................................................ 88 3.3.2.1 Justificación .......................................................................................................................................... 88 3.3.2.2 Proceso de fabricación .................................................................................................................... 88 3.3.2.3 Cálculo del Radio efectivo .............................................................................................................. 93 3.3.3 Manivela ....................................................................................................................................... 94 3.3.3.1 Justificación .......................................................................................................................................... 94 3.3.3.2 Proceso de fabricación .................................................................................................................... 95 3.3.3.3 Elemento de deslizamiento, nuevas dimensiones, calculo del nuevo radio de la manivela a raíz del cálculo anterior de radio efectivo...................................................................... 95 3.4 Caracterización final ........................................................................................................................ 96 3.4.1 Montaje de los nuevos componentes y puesta en funcionamiento ..................... 96 3.4.2 Realización de ensayo y análisis del caudal de pérdidas en función de la frecuencia con los nuevos componentes ................................................................................... 97 3.4.3 Comparación, evolución y conclusiones respecto la caracterización inicial ... 98 4. Presupuesto ........................................................................................................................... 102 5. Conclusiones .......................................................................................................................... 104 6. Bibliografía ............................................................................................................................. 110 6 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2. 1 ......................................................................................................................................................... 13 Figura 2. 2 ......................................................................................................................................................... 14 Figura 2. 3 ......................................................................................................................................................... 14 Figura 2. 4 ......................................................................................................................................................... 18 Figura 2. 5 ......................................................................................................................................................... 19 Figura 2. 6 ......................................................................................................................................................... 19 Figura 2. 7 ......................................................................................................................................................... 20 Figura 2. 8 ......................................................................................................................................................... 20 Figura 2. 9 ......................................................................................................................................................... 21 Figura 2. 10 ....................................................................................................................................................... 26 Figura 2. 11 ....................................................................................................................................................... 28 Figura 2. 12 ....................................................................................................................................................... 29 Figura 2. 13 ....................................................................................................................................................... 31 Figura 2. 14 ....................................................................................................................................................... 33 Figura 2. 15 ....................................................................................................................................................... 35 Figura 2. 16 ....................................................................................................................................................... 36 Figura 2. 17 ....................................................................................................................................................... 39 Figura 2. 18 ....................................................................................................................................................... 42 Figura 2. 19 ....................................................................................................................................................... 43 Figura 2. 20: Fuerzas, caudal y variables plasmadas en la imagen ........................................... 45 Figura 2. 21 ....................................................................................................................................................... 46 Figura 2. 22 ....................................................................................................................................................... 47 Figura 3. 1: Sistema de desagüe previo ................................................................................................ 53 Figura 3. 2: Se muestra la parte del desagüe visible desde la planta inferior ....................... 58 Figura 3. 3: Se muestra la parte superior del desagüe, el depósito. ............................................. 59 Figura 3. 4: Perfil y lateral de la rueda inicial ........................................................................................ 60 Figura 3. 5: Manivela inicial con refuerzos en los ángulos................................................................ 61 Figura 3. 6: Se aprecia la dirección correcta del agujero ................................................................... 64 Figura 3. 7: Cojinete de haya ...................................................................................................................... 65 Figura 3. 8: Evolución de las burbujas según la humedad se va eliminando. ............................. 66 Figura 3. 9: Cojinetes inmersos en aceite, desorbiendo humedad. ............................................... 67 Figura 3. 10: Estructura en la situación de inicial. ............................................................................... 68 Figura 3. 11: Escuadras de refuerzo para la zona de apoyo de los cojinetes ............................. 70 Figura 3. 12: Medidas de tiempo tomadas y resultados de caudal de pérdidas ....................... 73 Figura 3. 13: Tabla resultados. Ensayo caudal de pérdidas en función de la frecuencia ........ 75 Figura 3. 14: Gráfica resultado del ensayo ............................................................................................ 76 Figura 3. 15: Tabla de tiempos por persona .......................................................................................... 78 Figura 3. 16: Tabla para la toma de datos .............................................................................................. 80 Figura 3. 17: Interfaz de la app “Metronome Beats” ......................................................................... 81 Figura 3. 18: Gráfica del ensayo 1 de caudal de pérdidas en función de la frecuencia. ......... 82 Figura 3. 19: Gráfica del ensayo 2 de caudal de pérdidas en función de la frecuencia. ......... 83 Figura 3. 20: Tabla de valores de los diámetros ................................................................................... 85 7 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate Figura 3. 21: Molde metálico para la fabricación de pistones ......................................................... 86 Figura 3. 22: Pistones recién extraídos del molde y pistones ya taladrados .............................. 86 Figura 3. 23: Medio nudo múltiple ........................................................................................................... 87 Figura 3. 24: Nudo corredizo de horca .................................................................................................... 87 Figura 3. 25: Rueda adquirida .................................................................................................................... 89 Figura 3. 26: Corte del neumático para el perfil V............................................................................... 90 Figura 3. 27: Instalación de la tira de cámara en la llanta ................................................................ 90 Figura 3. 28: Problemática detectada en la unión llanta-perfil V ................................................... 91 Figura 3. 29: Comienzo de la aplicación de adhesivo para la unión .............................................. 92 Figura 3. 30: Conjunto rueda-manivela finalizado .............................................................................. 93 Figura 3. 31: Gráfica del ensayo con los nuevos componentes ...................................................... 97 Figura 3. 32: Gráfica 1 ................................................................................................................................... 98 Figura 3. 33: Gráfica 2 ................................................................................................................................... 99 Figura 3. 34: Gráfica 3 ................................................................................................................................... 99 Figura 3. 35: Gráfica 4 ................................................................................................................................. 100 Figura 4. 1: Tabla coste de ingeniería y diseño ................................................................................... 103 Figura 4. 2: Tabla coste de materiales ................................................................................................... 104 Figura 4. 3: Tabla coste de mano de obra ............................................................................................ 105 Figura 4. 4: Tabla coste de ensayos y pruebas .................................................................................... 106 8 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate 1. Introducción El presente proyecto ha sido realizado dentro del departamento de Ingeniería térmica y de fluidos, desarrollando la actividad en los laboratorios de la asignatura Tecnologías apropiadas para el desarrollo, de dónde nace este proyecto. Éste tiene el cometido reconstruir, rediseñar y mejorar el funcionamiento, rendimiento y durabilidad de una bomba de mecate, la cuál se encuentra en los laboratorios de la universidad situados en la avenida del Mediterráneo, pertenecientes a la asignatura ya mencionada. Me gustaría destacar, previo a la introducción de las partes que componen el proyecto, la labor, finalidad y espíritu solidario que posee el grupo de personas involucradas en esta asignatura. Ya en el proyecto, en el capítulo posterior a esta introducción se intentará transmitir una imagen global acerca de la situación del agua como recurso a nivel mundial, centrándonos después en los casos más desfavorecidos, para conseguir así dar sentido y justificación al por qué de este proyecto y demostrar la importancia de optimizar estos medios de extracción de agua en cierto modo primitivos. A continuación, se centrará la vista en el caso particular que incumbe al proyecto, la bomba de mecate. Se estudiarán sus partes, su funcionamiento, sus 9 Estudio, puesta en funcionamiento y evaluación de alternativas de diseño para una bomba de mecate características de uso y sus limitaciones. Para ello, se ha contado con bibliografía especializada en bombas manuales, facilitada en mayor parte por el tutor y que citaremos en su apartado correspondiente. Se logra así conocer al máximo todo lo que engloba la bomba de mecate. Posteriormente, en el tercer punto del proyecto se tratará la caracterización de la bomba. Se describirán los ensayos elegidos a realizar, las mediciones tomadas y los métodos utilizados. Es importante conseguir unas primeras medidas que sirvan de punto de partida de la bomba en estado inicial y que sirvan para comparaciones entre las variantes de diseño. Se explicarán las mejoras de diseño planteadas, nuevos componentes, diferentes configuraciones, etc. En un primer lugar, para mejorar las condiciones de trabajo con la bomba, sin buscar mejorar el rendimiento de la misma, se llevan a cabo una serie de acciones en algunos de sus elementos. En segundo lugar, debido a la dificultad de obtener unas primeras medidas con resultados coherentes, se analizará la problemática detectada, se tomarán medidas y analizarán variantes de diseño para solventar esa situación con el fin de poder caracterizar la bomba. Se describirá detalladamente el proceso de implantación de cada mejora para poder comprender a la perfección su finalidad y razón de implantación. Una vez se hayan implantado las soluciones pensadas se realizará una comparación de la evolución del funcionamiento de la bomba y se sacarán conclusiones de los resultados finales. Se dará paso entonces al punto de conclusiones generales, dónde se valorará tanto la experiencia adquirida en función con el tiempo empleado y el aprendizaje teórico-práctico en base al trabajo realizado. Por último se encontrará la relación de fuentes bibliográficas. 10