Una bomba de ariete hidráulica , bomba de ariete o hidram es una bomba de agua cíclica impulsada por energía hidroeléctrica . Toma agua a una " cabeza hidráulica " (presión) y caudal, y emite agua a una altura hidráulica más alta y un caudal más bajo. El dispositivo utiliza el efecto de 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 se utiliza a veces en áreas remotas, donde existe tanto una fuente de energía hidroeléctrica de baja altura como la necesidad de bombear agua a un destino a mayor altura que la fuente. En esta situación, el ariete suele ser útil, ya que no requiere ninguna fuente externa de energía aparte de la energía cinética del agua que fluye.
La Alhambra , construida por el sultán nazarí Ibn al-Ahmar de Granada a partir de 1238, utilizaba un hidram para elevar el agua. A través de un primer embalse, lleno por un canal del río Darro , el agua se vaciaba a través de un gran canal vertical hacia un segundo embalse situado debajo, creando un remolino que a su vez impulsaba el agua a través de una tubería mucho más pequeña hasta seis metros mientras la mayor parte del agua drenaba hacia un segundo , tubería un poco más grande. [1]
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). [2] [3] En 1783, instaló otro en Irlanda . No lo patentó y los detalles son oscuros, pero se sabe que tenía un recipiente aéreo.
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 . [4] Su amigo Matthew Boulton obtuvo una patente británica en su nombre en 1797. [5] Los hijos de Montgolfier obtuvieron una patente británica para una versión mejorada en 1816, [6] y ésta 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 fábrica en Erith , Kent . Se especializaron en sistemas de suministro de agua y alcantarillado en todo el mundo, así como en proyectos de drenaje terrestre . Eastons tenía un buen negocio suministrando carneros para el suministro de agua a grandes casas de campo , granjas y comunidades rurales. Algunas de sus instalaciones aún sobrevivían en 2004, siendo un ejemplo la aldea de Toller Whelme , en Dorset . Hasta aproximadamente 1958, cuando llegó el agua corriente, la aldea de East Dundry, justo al sur de Bristol, tenía tres arietes en funcionamiento; su ruidoso "golpe" cada minuto resonaba en el valle noche y día: estos arietes servían a las granjas que necesitaban mucha agua para su rebaños lecheros.
La empresa cerró en 1909, pero James R. Easton continuó el negocio de los arietes. En 1929, fue adquirida por Green & Carter [7] de Winchester , Hampshire , quienes se dedicaban a la fabricación e instalación de Vulcan y Vacher Rams.
La primera patente estadounidense fue otorgada a Joseph Cerneau (o Curneau) y Stephen (Étienne) S. Hallet (1755-1825) en 1809. [8] [9] El interés estadounidense en los arietes hidráulicos aumentó alrededor de 1840, a medida que se concedieron más patentes. y las empresas nacionales empezaron a ofrecer carneros a la venta. Hacia finales del siglo XIX, el interés disminuyó a medida que la electricidad y las bombas eléctricas se hicieron ampliamente disponibles.
El ariete hidráulico de Priestly , construido en 1890 en Idaho, fue un invento "maravilloso", aparentemente independiente, que elevaba agua 110 pies (34 m) para proporcionar riego. El carnero sobrevive y figura en el Registro Nacional de Lugares Históricos de EE. UU . [10] [11]
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. [12] El principio del ariete hidráulico se ha utilizado en algunas propuestas para aprovechar la energía de las olas , una de las cuales fue discutida ya en 1931 por Hanns Günther en su libro In hundert Jahren . [13]
Algunos diseños de arietes posteriores en el Reino Unido, llamados arietes compuestos, fueron diseñados para bombear agua tratada utilizando una fuente de agua de impulsión sin tratar, lo que supera algunos de los problemas de tener agua potable proveniente de un arroyo abierto. [14]
En 1996, el ingeniero inglés Frederick Philip Selwyn patentó una bomba de ariete hidráulico más compacta en la que la válvula de desagüe utilizaba el efecto venturi y estaba dispuesta concéntricamente alrededor de la tubería de entrada. [15] Inicialmente patentado como amplificador de presión de fluido debido a su diseño diferente, actualmente se vende como "Papa Pump". [16] Además de esto, también se está fabricando una versión a gran escala denominada "Bomba Venturo" [17] .
Un ariete hidráulico tradicional tiene sólo dos partes móviles, una válvula de "desperdicio" cargada por resorte o peso , a veces conocida como válvula "clack" y una válvula de retención de "entrega" , lo que lo hace económico 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. [10]
En la Figura 2 se muestra un ariete hidráulico simplificado. Inicialmente, la válvula de desagüe [4] está abierta (es decir, bajada) debido a su propio peso, y la válvula de entrega [5] se cierra bajo la presión causada por la columna de agua de la salida. [3]. El agua en el tubo de entrada [1] comienza a fluir bajo la fuerza de la gravedad y gana velocidad y energía cinética hasta que la creciente fuerza de arrastre 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 entrega [5] y fuerza a que fluya algo de agua hacia la tubería de entrega [3]. Debido a que esta agua es empujada cuesta arriba a través de la tubería de suministro más lejos de lo que cae cuesta abajo desde la fuente, el flujo se ralentiza; cuando el flujo se invierte, la válvula de retención de entrega [5] se cierra. Mientras tanto, el golpe de ariete causado por el cierre de la válvula de desagüe también produce un pulso de presión que se propaga de regreso a la tubería de entrada [18] hasta la fuente donde se convierte en un pulso de succión que se propaga de regreso a la tubería de entrada. [19] Este pulso de succión, con el peso o el resorte en la válvula, vuelve a abrir la válvula de desechos y permite que el proceso comience nuevamente.
Un recipiente a presión [6] que contiene aire amortigua el choque de presión hidráulica cuando se cierra la válvula de desagüe y también mejora la eficiencia del bombeo al permitir un flujo más constante a través de la tubería de entrega. Aunque en teoría la bomba podría funcionar sin él, la eficiencia disminuiría drásticamente y la bomba estaría sujeta a tensiones extraordinarias que podrían acortar considerablemente su vida útil. Un problema es que el aire presurizado se disolverá gradualmente en el agua hasta que no quede nada. Una solución a este problema es separar el aire del agua mediante un diafragma elástico (similar a un tanque de expansión ); sin embargo, esta solución puede resultar problemática en los países en desarrollo donde es difícil conseguir reemplazos. Otra solución es una válvula de drenaje 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. [20] 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 realidad el mismo que el diafragma, pero está implementado con materiales más disponibles. El aire en el tubo amortigua el impacto del agua de la misma manera que lo hace el aire en otras configuraciones.
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 agua total extraída de la fuente. La porción de agua disponible en la tubería de entrega se reducirá según la relación entre la altura de entrega y la altura de suministro. Por lo tanto, si la fuente está a 2 metros (6,6 pies) por encima del ariete y el agua se eleva a 10 metros (33 pies) por encima del ariete, sólo el 20% del agua suministrada puede estar disponible y el otro 80% se derrama a través de los desechos. válvula. Estos ratios suponen una eficiencia energética del 100%. El agua real entregada 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 el 70% del 20%, es decir, el 14%. Suponiendo una relación entre cabezal de suministro y cabezal de entrega de 2 a 1 y una eficiencia del 70%, el agua entregada sería el 70% del 50%, es decir, el 35%. Relaciones muy altas entre entrega y suministro generalmente resultan en una menor eficiencia energética. Los proveedores de arietes suelen proporcionar tablas que indican las proporciones de volumen esperadas basadas en pruebas reales.
Dado que tanto la eficiencia como el ciclo confiable dependen de los efectos del golpe de ariete, el diseño de la tubería de transmisión es importante. Debe ser entre 3 y 7 veces más larga 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 . [21] 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. El tubo de impulsión debe ser de diámetro y material constantes y debe ser lo más recto posible. Cuando sean necesarias curvas, estas deben ser suaves y de gran diámetro. Se permite incluso una gran espiral, pero se deben evitar los codos . El PVC funcionará en algunas instalaciones, pero se prefieren las tuberías de acero, aunque mucho más caras. 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 golpes de ariete suban por ella. Su diseño general estaría determinado por la caída de presión permitida en función del flujo esperado. Normalmente, el tamaño de la tubería será aproximadamente la mitad que el de la tubería de suministro, pero para tramos muy largos puede indicarse un tamaño mayor. La tubería de PVC y las válvulas necesarias no son un problema.
Un ariete recién puesto en funcionamiento o que ha dejado de funcionar debe arrancar automáticamente si el peso de la válvula de desecho o la presión del resorte se ajusta correctamente, pero se puede reiniciar de la siguiente manera: [18] Si la válvula de desecho está en la posición elevada (cerrada), debe empujarse hacia abajo manualmente hasta la posición abierta y soltarse. Si el flujo es suficiente, realizará un ciclo al menos una vez. Si no continúa realizando ciclos, se debe empujar hacia abajo repetidamente hasta que realice ciclos continuos 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 necesario para que la tubería de suministro se llene con 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 unas cuantas veces como se describe arriba. Tener una válvula en el tubo de entrega en el ariete facilita el arranque. Cerrar la válvula hasta que el ariete comience a funcionar y luego abrirla gradualmente para llenar el tubo de entrega. Si se abre demasiado rápido, detendrá el ciclo. Una vez que el tubo de suministro esté lleno, la válvula se puede dejar abierta.
No entregar suficiente agua puede deberse a un ajuste inadecuado de la válvula de desagüe, a tener muy poco aire en el recipiente a presión o simplemente a intentar elevar el agua por encima del nivel que el ariete es capaz de alcanzar.
El ariete puede dañarse por la congelación en invierno o por la pérdida de aire en el recipiente a presión, lo que genera una tensión excesiva en las piezas del ariete. Estas fallas requerirán soldadura u otros métodos de reparación y tal vez reemplazo de piezas.
No es raro que una memoria RAM en funcionamiento 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. Puede entrar aire 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 desechos o una instalación inadecuada, como usar una tubería de suministro de diámetro o material no uniforme, que tenga curvas cerradas o un interior rugoso, o una que sea demasiado larga o corta 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.
La estructura de la bomba de ariete hidráulico... es paralela a la del convertidor de refuerzo, lo que la convierte en un análogo hidráulico.
De hecho, esta bomba automática tiene mucho que ofrecer en un estudio paralelo con su prima eléctrica.
