Ariete hidráulico
Un pistón hidráulico, o hidram, es una bomba de agua cíclica impulsada por energía hidroeléctrica. Admite agua en un "cabezal hidráulico" (presión) y caudal, y saca agua a una cabeza hidráulica más alta y un caudal más bajo. El dispositivo utiliza el efecto del golpe de ariete para desarrollar una presión que permite que una parte del agua de entrada que alimenta la bomba se eleve a un punto más alto que donde comenzó originalmente el agua. El ariete hidráulico a veces se usa en áreas remotas, donde hay una fuente de energía hidroeléctrica de baja altura y una necesidad de bombear agua a un destino más alto que la fuente. En esta situación, el ariete suele ser útil, ya que no requiere una fuente de energía externa que no sea la energía cinética del agua que fluye.
Historia
La Alhambra, construida por el sultán nazarí Ibn al-Ahmar de Granada a partir de 1238 d. C., utilizó una hidra para elevar el agua. A través de un primer depósito, llenado por un canal del río Darro, el agua se vaciaba a través de un gran canal vertical en un segundo depósito debajo, creando un remolino que a su vez impulsaba el agua a través de una tubería mucho más pequeña de seis metros de altura, mientras que la mayor parte del agua se drenaba en un segundo depósito., tubería un poco más grande.
En 1772, John Whitehurst de Cheshire, Inglaterra, inventó un precursor controlado manualmente del ariete hidráulico llamado "motor de pulsación" e instaló el primero en Oulton, Cheshire para elevar el agua a una altura de 4,9 metros (16 pies). En 1783, instaló otro en Irlanda. No lo patentó, y los detalles son oscuros, pero se sabe que tenía un recipiente de aire.
La primera bomba de ariete automática fue inventada por el francés Joseph Michel Montgolfier (mejor conocido como co-inventor del globo aerostático) en 1796 para elevar agua en su fábrica de papel en Voiron. Su amigo Matthew Boulton obtuvo una patente británica en su nombre en 1797. Los hijos de Montgolfier obtuvieron una patente británica para una versión mejorada en 1816, y esta fue adquirida, junto con el diseño de Whitehurst, en 1820 por Josiah Easton. un ingeniero nacido en Somerset que acababa de mudarse a Londres.
La empresa de Easton, heredada por su hijo James (1796–1871), creció durante el siglo XIX hasta convertirse en uno de los fabricantes de ingeniería más importantes de Inglaterra, con una gran obra en Erith, Kent. Se especializaron en sistemas de suministro de agua y alcantarillado en todo el mundo, así como en proyectos de drenaje de tierras. Eastons tenía un buen negocio suministrando carneros para el suministro de agua a grandes casas de campo, granjas y comunidades de aldeas. Algunas de sus instalaciones aún sobrevivieron a partir de 2004, un ejemplo de ello es en la aldea de Toller Whelme, en Dorset. Hasta alrededor de 1958, cuando llegó el agua de la red, la aldea de East Dundry, al sur de Bristol, tenía tres arietes en funcionamiento: su ruidoso 'golpe' cada minuto más o menos resonaba en el valle día y noche: estos carneros servían granjas que necesitaban mucha agua para sus rebaños lecheros.
La empresa cerró en 1909, pero James R. Easton continuó con el negocio de carneros. En 1929, fue adquirida por Green & Carter de Winchester, Hampshire, quienes se dedicaron a la fabricación e instalación de Vulcan y Vacher Rams.
La primera patente estadounidense se otorgó a Joseph Cerneau (o Curneau) y Stephen (Étienne) S. Hallet (1755-1825) en 1809. El interés de los EE. empezó a ofrecer carneros a la venta. Hacia fines del siglo XIX, el interés disminuyó a medida que la electricidad y las bombas eléctricas estuvieron ampliamente disponibles.
El ariete hidráulico de Priestly, construido en 1890 en Idaho, fue un "maravilloso" invento, aparentemente independiente, que elevó el agua 110 pies (34 m) para proporcionar riego. El carnero sobrevive y figura en el Registro Nacional de Lugares Históricos de EE. UU.
A finales del siglo XX, el interés por los arietes hidráulicos ha revivido debido a las necesidades de tecnología sostenible en los países en desarrollo y de conservación de energía en los desarrollados. Un ejemplo es Aid Foundation International en Filipinas, que ganó un premio Ashden por su trabajo en el desarrollo de bombas de ariete que podrían mantenerse fácilmente para su uso en aldeas remotas. El principio del ariete hidráulico se ha utilizado en algunas propuestas para explotar la energía de las olas, una de las cuales fue discutida ya en 1931 por Hanns Günther en su libro In hundert Jahren.
Algunos diseños de arietes posteriores en el Reino Unido llamados arietes compuestos se diseñaron para bombear agua tratada utilizando una fuente de agua de impulsión no tratada, lo que supera algunos de los problemas de obtener agua potable de un arroyo abierto.
En 1996, el ingeniero inglés Frederick Philip Selwyn patentó una bomba de ariete hidráulico más compacta en la que la válvula de desecho usaba el efecto venturi y estaba dispuesta concéntricamente alrededor de la tubería de entrada. Inicialmente patentado como un amplificador de presión de fluidos debido a su diseño diferente, actualmente se vende como "Papa Pump". Además de esto, una versión a gran escala denominada "Bomba Venturo" también está siendo fabricado por la compañía de Phil.
Construcción y principio de funcionamiento
Un ariete hidráulico tradicional tiene solo dos partes móviles, un "desperdicio" válvula a veces conocida como "clack" válvula y una válvula de "entrega" válvula de retención, lo que la hace económica de construir, fácil de mantener y muy confiable.
El ariete hidráulico de Priestly, descrito en detalle en la Enciclopedia Británica de 1947, no tiene partes móviles.
Secuencia de operación
1. Entrada – tubería de entrada
2. Flujo libre en válvula de desecho
3. Outlet – tubo de entrega
4. Válvula de desecho
5. Válvula de control de entrega
6. Barco de presión
En la figura 2 se muestra un ariete hidráulico simplificado. Inicialmente, la válvula de desecho [4] está abierta (es decir, baja) debido a su propio peso, y la válvula de suministro [5] está cerrada bajo la presión causada por la columna de agua. de la salida [3]. El agua en la tubería de entrada [1] comienza a fluir bajo la fuerza de la gravedad y adquiere velocidad y energía cinética hasta que la fuerza de arrastre cada vez mayor levanta el peso de la válvula de desagüe y la cierra. El impulso del flujo de agua en la tubería de entrada contra la válvula de desagüe ahora cerrada provoca un golpe de ariete que eleva la presión en la bomba más allá de la presión causada por la columna de agua que presiona hacia abajo desde la salida. Este diferencial de presión ahora abre la válvula de suministro [5] y fuerza un poco de agua a fluir hacia la tubería de suministro [3]. Debido a que esta agua es forzada cuesta arriba a través de la tubería de suministro más allá de lo que cae cuesta abajo desde la fuente, el flujo se hace más lento; cuando el flujo se invierte, la válvula de retención de entrega [5] se cierra. Mientras tanto, el golpe de ariete del cierre de la válvula de desagüe también produce un pulso de presión que se propaga hacia arriba por la tubería de entrada hasta la fuente, donde se convierte en un pulso de succión que se propaga hacia abajo por la tubería de entrada. Este pulso de succión, con el peso o el resorte en la válvula, vuelve a abrir la válvula de desecho y permite que el proceso comience nuevamente.
Un recipiente a presión [6] que contiene aire amortigua el golpe de presión hidráulica cuando se cierra la válvula de desecho y también mejora la eficiencia de bombeo al permitir un flujo más constante a través de la tubería de suministro. Aunque en teoría la bomba podría funcionar sin ella, la eficiencia caería drásticamente y la bomba estaría sujeta a esfuerzos extraordinarios que podrían acortar su vida considerablemente. Un problema es que el aire presurizado se disolverá gradualmente en el agua hasta que no quede nada. Una solución a este problema es tener el aire separado del agua por un diafragma elástico (similar a un tanque de expansión); sin embargo, esta solución puede ser problemática en los países en desarrollo donde los reemplazos son difíciles de conseguir. Otra solución es una válvula de escape instalada cerca del lado de accionamiento de la válvula de entrega. Esto inhala automáticamente una pequeña cantidad de aire cada vez que se cierra la válvula de suministro y se desarrolla el vacío parcial. Otra solución es insertar una cámara de aire de un neumático de automóvil o bicicleta en el recipiente a presión con algo de aire y la válvula cerrada. Este tubo es, en efecto, el mismo que el diafragma, pero se implementa con materiales más ampliamente disponibles. El aire en el tubo amortigua el impacto del agua al igual que lo hace el aire en otras configuraciones.
Eficiencia
Una eficiencia energética típica es del 60 %, pero es posible hasta el 80 %. Esto no debe confundirse con la eficiencia volumétrica, que relaciona el volumen de agua entregada con el total de agua tomada de la fuente. La porción de agua disponible en la tubería de entrega se reducirá por la relación entre la cabeza de entrega y la cabeza de suministro. Por lo tanto, si la fuente está a 2 metros por encima del ariete y el agua se eleva a 10 metros por encima del ariete, solo el 20 % del agua suministrada puede estar disponible y el otro 80 % se derrama a través de la válvula de desagüe. Estos ratios asumen una eficiencia energética del 100%. El agua entregada real se reducirá aún más por el factor de eficiencia energética. En el ejemplo anterior, si la eficiencia energética es del 70%, el agua entregada será del 70% del 20%, es decir, del 14%. Suponiendo una relación de cabeza de suministro a cabeza de entrega de 2 a 1 y una eficiencia del 70 %, el agua suministrada sería el 70 % del 50 %, es decir, el 35 %. Las proporciones muy altas de entrega a cabeza de suministro generalmente dan como resultado una menor eficiencia energética. Los proveedores de arietes a menudo proporcionan tablas que dan las proporciones de volumen esperadas basadas en pruebas reales.
Diseño de tubería de impulsión y entrega
Dado que tanto la eficiencia como el ciclo confiable dependen de los efectos del golpe de ariete, el diseño de la tubería impulsora es importante. Debe ser entre 3 y 7 veces mayor que la distancia vertical entre la fuente y el ariete. Los arietes comerciales pueden tener un accesorio de entrada diseñado para adaptarse a esta pendiente óptima. El diámetro de la tubería de suministro normalmente coincidiría con el diámetro del accesorio de entrada en el ariete, que a su vez se basa en su capacidad de bombeo. La tubería de conducción debe tener un diámetro y un material constantes, y debe ser lo más recta posible. Cuando sea necesario doblar, deben ser curvas suaves y de gran diámetro. Incluso se permite una gran espiral, pero se deben evitar los codos. El PVC funcionará en algunas instalaciones, pero se prefiere la tubería de acero, aunque mucho más costosa. Si se utilizan válvulas, deben ser del tipo de flujo libre, como una válvula de bola o una válvula de compuerta.
La tubería de suministro es mucho menos crítica ya que el recipiente a presión evita que los efectos del golpe de ariete suban por ella. Su diseño general estaría determinado por la caída de presión permitida basada en el flujo esperado. Por lo general, el tamaño de la tubería será aproximadamente la mitad del de la tubería de suministro, pero para tramos muy largos se puede indicar un tamaño mayor. La tubería de PVC y las válvulas necesarias no son un problema.
Inicio de operación
Un ariete recién puesto en funcionamiento o que ha dejado de funcionar debería arrancar automáticamente si el peso de la válvula de desecho o la presión del resorte se ajustan correctamente, pero se puede reiniciar de la siguiente manera: si la válvula de desecho está en la posición elevada (cerrada), debe empujarse hacia abajo manualmente a la posición abierta y soltarse. Si el caudal es suficiente, realizará un ciclo al menos una vez. Si no continúa ciclando, debe empujarse hacia abajo repetidamente hasta que cicle continuamente por sí solo, generalmente después de tres o cuatro ciclos manuales. Si el ariete se detiene con la válvula de desagüe en la posición hacia abajo (abierta), debe levantarse manualmente y mantenerse arriba durante el tiempo que sea necesario para que la tubería de suministro se llene de agua y para que las burbujas de aire suban por la tubería hasta la fuente. Esto puede llevar algún tiempo, dependiendo de la longitud y el diámetro de la tubería de suministro. Luego se puede iniciar manualmente empujándolo hacia abajo varias veces como se describe arriba. Tener una válvula en la tubería de entrega en el ariete facilita el arranque. Cerrando la válvula hasta que el ariete comience a girar, luego abriéndola gradualmente para llenar la tubería de suministro. Si se abre demasiado rápido, detendrá el ciclo. Una vez que la tubería de envío está llena, la válvula se puede dejar abierta.
Problemas operativos comunes
La falta de suministro de agua suficiente puede deberse a un ajuste incorrecto de la válvula de desecho, a que hay muy poco aire en el recipiente a presión o simplemente a intentar elevar el agua por encima del nivel del que es capaz el ariete.
El ariete puede dañarse por la congelación en invierno o la pérdida de aire en el recipiente a presión, lo que provoca un exceso de tensión en las piezas del ariete. Estas fallas requerirán soldadura u otros métodos de reparación y quizás el reemplazo de piezas.
No es raro que una RAM operativa requiera reinicios ocasionales. El ciclo puede detenerse debido a un mal ajuste de la válvula de desagüe o a un flujo de agua insuficiente en la fuente. El aire puede entrar si el nivel del agua de suministro no está al menos unas pocas pulgadas por encima del extremo de entrada de la tubería de suministro. Otros problemas son el bloqueo de las válvulas con escombros o una instalación incorrecta, como el uso de una tubería de suministro de diámetro o material no uniforme, que tenga curvas pronunciadas o un interior áspero, o que sea demasiado largo o corto para la caída, o que esté hecho de un material insuficientemente rígido. Una tubería de suministro de PVC funcionará en algunas instalaciones, pero una tubería de acero es mejor.
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