Una bomba de ariete hidráulico , bomba de ariete o hidram es una bomba de agua cíclica impulsada por energía hidráulica . Toma agua a una " carga hidráulica " (presión) y caudal, y la expulsa a una carga hidráulica mayor y un caudal menor. El dispositivo utiliza el efecto del golpe de ariete para desarrollar una presión que permite que una parte del agua de entrada que impulsa la bomba se eleve a un punto más alto que donde el agua comenzó originalmente. El ariete hidráulico se utiliza a veces en áreas remotas, donde hay una fuente de energía hidroeléctrica de baja altura y una necesidad de bombear agua a un destino más elevado 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.
La Alhambra , construida por el sultán nazarí Ibn al-Ahmar de Granada a partir de 1238, utilizaba un hidra para elevar el agua. A través de un primer depósito, que se llenaba con un canal procedente del río Darro , el agua se vaciaba a través de un gran canal vertical en un segundo depósito situado debajo, creando un remolino que a su vez impulsaba el agua a través de una tubería mucho más pequeña hasta seis metros, mientras que la mayor parte del agua se drenaba en una segunda 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 de aire.
La primera bomba de ariete autoaccionada fue inventada por el francés Joseph Michel Montgolfier (mejor conocido como co-inventor del globo aerostático ) en 1796 para elevar el agua en su fábrica de papel en Voiron . [4] Su amigo Matthew Boulton sacó 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 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 fábrica 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 arietes para el suministro de agua a grandes casas de campo , granjas y comunidades de aldeas. Algunas de sus instalaciones aún sobrevivían en 2004, un ejemplo de ello era la aldea de Toller Whelme , en Dorset . Hasta aproximadamente 1958, cuando llegó el agua de la red, la aldea de East Dundry , justo al sur de Bristol, tenía tres arietes en funcionamiento; su ruidoso "golpe" cada minuto aproximadamente resonaba en el valle día y noche: estos arietes servían a granjas que necesitaban mucha agua para sus rebaños lecheros.
La empresa cerró en 1909, pero el negocio de los arietes fue continuado por James R. Easton. En 1929, fue adquirida por Green & Carter [7] de Winchester , Hampshire , que se dedicaba a la fabricación e instalación de arietes Vulcan y Vacher.
La primera patente estadounidense se concedió a Joseph Cerneau (o Curneau) y Stephen (Étienne) S. Hallet (1755-1825) en 1809. [8] [9] El interés estadounidense por los arietes hidráulicos aumentó alrededor de 1840, cuando se concedieron más patentes y las empresas nacionales empezaron a ofrecer arietes 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 el agua 34 metros para proporcionar riego. El ariete sobrevive y está incluido en el Registro Nacional de Lugares Históricos de Estados Unidos . [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 la conservación de la 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 explotar 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 hidráulica de ariete más compacta en la que la válvula de descarga utilizaba el efecto Venturi y estaba dispuesta concéntricamente alrededor de la tubería de entrada. [15] Inicialmente patentada 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 llamada "Venturo Pump" [17] .
Un ariete hidráulico tradicional tiene solo 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 desechos [4] está abierta (es decir, bajada) debido a su propio peso, y la válvula de entrega [5] está cerrada bajo la presión causada por la columna de agua desde la salida [3]. El agua en la tubería 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 desechos y la cierra. El impulso del flujo de agua en la tubería de entrada contra la válvula de desechos ahora cerrada provoca un golpe de ariete que aumenta la presión en la bomba más allá de la presión causada por la columna de agua que presiona hacia abajo desde la salida. Esta diferencia de presión ahora abre la válvula de entrega [5] y obliga a que fluya algo de agua hacia la tubería de entrega [3]. Debido a que esta agua se ve forzada a subir a través de la tubería de entrega 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 del cierre de la válvula de desechos también produce un pulso de presión que se propaga hacia arriba por la tubería de entrada [18] hasta la fuente, donde se convierte en un pulso de succión que se propaga hacia abajo por la tubería de entrada. [19] Este pulso de succión, con el peso o resorte en la válvula, abre nuevamente la válvula de desechos y permite que el proceso comience de nuevo.
Un recipiente a presión [6] que contiene aire amortigua el choque de presión hidráulica cuando se cierra la válvula de desechos, 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 él, la eficiencia caería drásticamente y la bomba estaría sujeta a tensiones extraordinarias 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 succión instalada cerca del lado de accionamiento de la válvula de suministro. Esto inhala automáticamente una pequeña cantidad de aire cada vez que la válvula de suministro se cierra 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 en él y la válvula cerrada. Este tubo es en realidad igual que el diafragma, pero se fabrica con materiales más comunes. El aire del 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 alcanzar hasta el 80%. Esto no debe confundirse con la eficiencia volumétrica, que relaciona el volumen de agua suministrada con el agua total extraída de la fuente. La porción de agua disponible en la tubería de suministro se reducirá en la relación entre la altura de suministro 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, solo el 20% del agua suministrada puede estar disponible, y el otro 80% se vierte a través de la válvula de desechos. Estas relaciones suponen una eficiencia energética del 100%. El agua realmente suministrada se reducirá aún más por el factor de eficiencia energética. En el ejemplo anterior, si la eficiencia energética es del 70%, el agua suministrada será el 70% del 20%, es decir, el 14%. Suponiendo una relación de altura de suministro a altura de descarga de 2 a 1 y una eficiencia del 70 %, el agua suministrada sería el 70 % del 50 %, es decir, el 35 %. Las relaciones muy altas de altura de suministro a altura de descarga suelen dar como resultado una menor eficiencia energética. Los proveedores de arietes suelen proporcionar tablas que indican las relaciones de volumen esperadas en función de pruebas reales.
Dado que tanto la eficiencia como la fiabilidad del ciclo dependen de los efectos del golpe de ariete, el diseño de la tubería de impulsión 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 del ariete, que a su vez se basa en su capacidad de bombeo. La tubería de impulsión debe tener un diámetro y un material constantes, y debe ser lo más recta posible. Cuando sean necesarias curvas, deben ser suaves y de gran diámetro. Incluso se permite una espiral grande, pero se deben evitar los codos . El PVC funcionará en algunas instalaciones, pero se prefieren las tuberías de acero, aunque son 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 efectos del golpe de ariete se propaguen por ella. Su diseño general se determinará en función de la caída de presión admisible en función del caudal previsto. Normalmente, el tamaño de la tubería será aproximadamente la mitad del de la tubería de suministro, pero para tramos muy largos puede ser recomendable un tamaño mayor. La tubería de PVC y las válvulas necesarias no suponen un problema.
Un ariete recién puesto en funcionamiento o que ha dejado de ciclar debería ponerse en marcha automáticamente si el peso de la válvula de desechos o la presión del resorte se ajustan correctamente, pero se puede reiniciar de la siguiente manera: [18] Si la válvula de desechos está en la posición elevada (cerrada), se debe empujar hacia abajo manualmente a la posición abierta y soltar. Si el flujo es suficiente, entonces ciclará al menos una vez. Si no continúa ciclándose, se debe empujar 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 desechos en la posición hacia abajo (abierta), se debe levantar manualmente y mantener 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, según la longitud y el diámetro de la tubería de suministro. Luego se puede poner en marcha manualmente empujándolo hacia abajo unas cuantas veces como se describió anteriormente. Tener una válvula en la tubería de entrega en el ariete hace que el arranque sea más fácil. Cierre la válvula hasta que el ariete comience a ciclar, luego ábrala gradualmente para llenar la tubería de entrega. Si se abre demasiado rápido, detendrá el ciclo. Una vez que la tubería de suministro esté llena, la válvula se puede dejar abierta.
La falta de suministro de suficiente agua puede deberse a un ajuste inadecuado de la válvula de desechos, a tener muy poco aire en el recipiente a presión o simplemente a un intento de elevar el agua por encima del nivel que el ariete es capaz de elevar.
El ariete puede resultar dañado por la congelación en invierno o por la pérdida de aire en el recipiente de presión, lo que genera una tensión excesiva en las piezas del ariete. Estas fallas requerirán soldadura u otros métodos de reparación y, tal vez, el reemplazo de piezas.
No es raro que un ariete en funcionamiento requiera reinicios ocasionales. El ciclo puede detenerse debido a un mal ajuste de la válvula de desechos o un flujo de agua insuficiente en la fuente. Puede ingresar aire si el nivel de agua de suministro no está al menos unos pocos centímetros por encima del extremo de entrada de la tubería de suministro. Otros problemas son el bloqueo de las válvulas con desechos o una instalación incorrecta, como usar una tubería de suministro de diámetro o material no uniforme, que tenga curvas pronunciadas o un interior rugoso, o una que sea demasiado larga o corta para la caída, o que esté hecha de un material insuficientemente rígido. Una tubería de suministro de PVC funcionará en algunas instalaciones, pero una tubería de acero es mejor.
La bomba de ariete hidráulico... la estructura es paralela a la del convertidor elevador, lo que la convierte en un análogo hidráulico.
De hecho, esta bomba autónoma tiene mucho que ofrecer en un estudio paralelo con su prima eléctrica.
