Tornillo de Arquímedes

format_list_bulleted Contenido keyboard_arrow_down

ImprimirCitar

El tornillo de Arquímedes, también conocido como tornillo hidrodinámico, tornillo de agua o tornillo egipcio, es una de las primeras máquinas hidráulicas. El uso de tornillos de Arquímedes como bombas de agua (bomba de tornillo de Arquímedes (ASP) o bomba de tornillo) se remonta a muchos siglos atrás. Como una máquina que se usa para transferir agua desde un cuerpo de agua bajo a zanjas de riego, el agua se bombea girando una superficie en forma de tornillo dentro de una tubería. En el mundo moderno, las bombas de tornillo Arquímedes se utilizan ampliamente en plantas de tratamiento de aguas residuales y para desaguar regiones bajas. Las turbinas de tornillo de Arquímedes (AST) son una nueva forma de pequeña central hidroeléctrica que se puede aplicar incluso en sitios de baja altura. Los generadores de tornillo de Arquímedes funcionan en una amplia gama de caudales (0,01 ${ estilo de visualización m^{3}/s}$ a 14,5 ${ estilo de visualización m^{3}/s}$ ) y cabezas (0,1 m a 10 m), incluidas cabezas bajas y caudales moderados que no son ideales para turbinas tradicionales y no ocupadas por tecnologías de alto rendimiento. El tornillo de Arquímedes es una máquina hidráulica reversible, y hay varios ejemplos de instalaciones de tornillo de Arquímedes donde el tornillo puede operar en diferentes momentos como bomba o generador, dependiendo de las necesidades de energía y flujo del curso de agua.

El tornillo de Arquímedes lleva el nombre del matemático griego Arquímedes, quien lo describió por primera vez alrededor del 234 a. C., aunque hay evidencia de que el dispositivo se había utilizado en el Antiguo Egipto mucho antes de su época. Un transportador de tornillo es un dispositivo similar que transporta materiales a granel como polvos y granos.

Historia

La bomba de tornillo es la bomba de desplazamiento positivo más antigua. Los primeros registros de un tornillo de agua, o bomba de tornillo, se remontan al Egipto helenístico antes del siglo III a. El tornillo egipcio, que se usaba para sacar agua del Nilo, estaba compuesto por tubos enrollados alrededor de un cilindro; a medida que gira toda la unidad, el agua se eleva dentro del tubo en espiral hacia la elevación más alta. Un diseño posterior de bomba de tornillo de Egipto tenía una ranura en espiral cortada en el exterior de un cilindro de madera sólida y luego el cilindro se cubría con tablas o láminas de metal que cubrían las superficies entre las ranuras.

Algunos investigadores han propuesto que este dispositivo se utilizó para regar los Jardines Colgantes de Babilonia, una de las Siete Maravillas del Mundo Antiguo. Stephanie Dalley ha interpretado una inscripción cuneiforme del rey asirio Senaquerib (704–681 a. C.) para describir la fundición de tornillos de agua en bronce unos 350 años antes. Esto es consistente con el autor clásico Estrabón, quien describe los Jardines Colgantes como regados por tornillos.

La bomba de tornillo se introdujo más tarde desde Egipto a Grecia. Fue descrita por Arquímedes, con motivo de su visita a Egipto, hacia el 234 a.C. Esta tradición puede reflejar solo que el aparato era desconocido para los griegos antes de la época helenística. Arquímedes nunca se atribuyó el mérito de su invención, pero se lo atribuyó 200 años después Diodoro, quien creía que Arquímedes inventó la bomba de tornillo en Egipto. Las representaciones de los tornillos de agua griegos y romanos los muestran accionados por un humano que pisa la carcasa exterior para convertir todo el aparato en una sola pieza, lo que requeriría que la carcasa esté rígidamente unida al tornillo.

El ingeniero alemán Konrad Kyeser equipó el tornillo de Arquímedes con un mecanismo de manivela en su Bellifortis (1405). Este mecanismo reemplazó rápidamente la antigua práctica de trabajar la tubería pisando.

Diseño

El tornillo de Arquímedes consiste en un tornillo (una superficie helicoidal que rodea un eje cilíndrico central) dentro de un tubo hueco. El tornillo generalmente se gira con un molino de viento, trabajo manual, ganado o por medios modernos, como un motor. A medida que gira el eje, el extremo inferior recoge un volumen de agua. Esta agua luego es empujada hacia arriba por el tubo por el helicoide giratorio hasta que sale por la parte superior del tubo.

Es importante tener en cuenta que es posible que el volumen del tornillo no esté completamente lleno de agua; debe haber una buena cantidad de aire "recogido" junto con cada cucharada de agua. Por esta razón, la bomba deja de funcionar si el fondo de la tubería está completamente sumergido, de modo que no se pueda aspirar aire. Esto se debe a que las bolsas de agua individuales deben estar separadas entre sí por bolsas de aire, o bien no habría diferencia entre un tornillo de Arquímedes y un tubo (enrollado), lo que permitiría que el agua fluyera hacia atrás desde la cuenca superior a la cuenca inferior, como un sifón.

No es necesario que la superficie de contacto entre el tornillo y la tubería sea perfectamente impermeable, siempre que la cantidad de agua que se recoge con cada vuelta sea grande en comparación con la cantidad de agua que se escapa de cada sección del tornillo por vuelta. Si el agua de una sección se filtra hacia la siguiente inferior, será transferida hacia arriba por el siguiente segmento del tornillo.

En algunos diseños, el tornillo está fusionado con la carcasa y ambos giran juntos, en lugar de que el tornillo gire dentro de una carcasa estacionaria. El tornillo podría sellarse a la carcasa con resina de brea u otro adhesivo, o el tornillo y la carcasa podrían fundirse juntos como una sola pieza de bronce.

El diseño del tornillo de agua cotidiano griego y romano, en contraste con el pesado dispositivo de bronce de Senaquerib, con sus problemáticas cadenas de transmisión, tiene una poderosa simplicidad. Se construía una hélice doble o triple con tiras de madera (u ocasionalmente láminas de bronce) alrededor de un poste de madera pesado. Alrededor de las hélices se construyó un cilindro utilizando tablas largas y estrechas fijadas a su periferia e impermeabilizadas con brea.

Los estudios muestran que el volumen de flujo que pasa a través de los tornillos de Arquímedes está en función de la profundidad de entrada, el diámetro y la velocidad de rotación del tornillo. Por lo tanto, la siguiente ecuación analítica podría usarse para diseñar tornillos de Arquímedes:

{displaystyle D_{O}=(16pi Q}/{sigma omega (2theta_{O}-sin2theta_{O})-delta ^{2}(2theta_{ i}-sen(2theta _{i}))^{1/3}}

donde ${displaystyle D_{O}}$ esta $(metro)$ y:

$omega$ : Velocidad de rotación del tornillo de Arquímedes (rad/s)

$q$ : Tasa de flujo volumétrico ${ estilo de visualización (m^{3}/s)}$

Basándose en los estándares comunes que utilizan los diseñadores de tornillos de Arquímedes, esta ecuación analítica podría simplificarse como:

El valor de η podría determinarse simplemente usando la $eta$ gráfica o $Theta$ gráfico. Mediante la determinación de ${displaystyle D_{O}}$ , se pueden calcular otros parámetros de diseño de los tornillos de Arquímedes utilizando un método analítico paso a paso.

Usos

El tornillo se utilizó principalmente para el transporte de agua a los sistemas de riego y para el drenaje de minas u otras áreas bajas. Se usó para drenar la tierra que estaba debajo del mar en los Países Bajos y otros lugares en la creación de pólderes.

Los tornillos de Arquímedes se utilizan en plantas de tratamiento de aguas residuales porque se adaptan bien a caudales variables y sólidos en suspensión. Una barrena en un soplador de nieve o elevador de granos es esencialmente un tornillo de Arquímedes. Los camiones mezcladores de concreto usan tornillos Archemedes en el interior de su tambor para mezclar o descargar material.

El principio también se encuentra en los pescalators, que son tornillos de Arquímedes diseñados para levantar peces de forma segura de los estanques y transportarlos a otro lugar. Esta tecnología se usa principalmente en criaderos de peces, donde es deseable minimizar el manejo físico de los peces.

Se utilizó un tornillo de Arquímedes en la exitosa estabilización de la Torre Inclinada de Pisa en 2001. Se retiraron pequeñas cantidades de subsuelo saturado por aguas subterráneas muy por debajo del lado norte de la torre, y el peso de la torre misma corrigió la inclinación. Los tornillos de Arquímedes también se utilizan en fuentes de chocolate.

Las turbinas de tornillo de Arquímedes (AST) son una nueva forma de generadores para pequeñas centrales hidroeléctricas que podrían aplicarse incluso en sitios de baja altura. La baja velocidad de rotación de los AST reduce los impactos negativos sobre la vida acuática y los peces.

Variantes

Un transportador de tornillo es un tornillo de Arquímedes contenido dentro de un tubo y girado por un motor para entregar material de un extremo al otro del transportador. Es especialmente adecuado para el transporte de materiales granulados, como gránulos de plástico utilizados en el moldeo por inyección y granos de cereales. También se puede utilizar para transportar líquidos. En aplicaciones de control industrial, el transportador se puede usar como un alimentador giratorio o un alimentador de tasa variable para entregar una tasa o cantidad medida de material en un proceso.

También se puede encontrar una variante del tornillo de Arquímedes en algunas máquinas de moldeo por inyección, máquinas de fundición a presión y extrusión de plásticos, que emplean un tornillo de paso decreciente para comprimir y fundir el material. También se utiliza en un compresor de aire de tornillo rotativo. En una escala mucho mayor, los tornillos de Arquímedes de paso decreciente se utilizan para la compactación de material de desecho.

Acción inversa

Si se introduce agua en la parte superior de un tornillo de Arquímedes, obligará al tornillo a girar. El eje giratorio se puede usar para impulsar un generador eléctrico. Tal instalación tiene los mismos beneficios que usar el tornillo para bombear: la capacidad de manejar agua muy sucia y tasas de flujo muy variables con alta eficiencia. Settle Hydro y Torrs Hydro son dos microproyectos hidroeléctricos de tornillo inverso que operan en Inglaterra. El tornillo funciona bien como generador a baja altura, lo que se encuentra comúnmente en los ríos ingleses, incluido el Támesis, que alimenta el Castillo de Windsor.

En 2017, se inauguró en Meriden, Connecticut, la primera central hidroeléctrica de tornillo inverso de los Estados Unidos. El proyecto Meriden fue construido y es operado por New England Hydropower con una capacidad nominal de 193 kW y un factor de capacidad de aproximadamente el 55 % durante un período de funcionamiento de 5 años.

Contenido relacionado

Más resultados...