El tornillo de Arquímedes , también conocido como tornillo de Arquímedes , tornillo hidrodinámico , tornillo de agua o tornillo egipcio , [1] es una de las primeras máquinas hidráulicas . El uso de tornillos de Arquímedes como bombas de agua (bomba de tornillo de Arquímedes (ASP) [2] o bomba de tornillo [1] ) se remonta a muchos siglos atrás. Como máquina utilizada para elevar agua desde una masa de agua baja hacia acequias de riego , el agua se eleva girando una superficie en forma de tornillo dentro de una tubería. En el mundo moderno, las bombas de tornillo de Arquímedes se utilizan ampliamente en plantas de tratamiento de aguas residuales y para deshidratar regiones bajas. Al funcionar a la inversa, las turbinas de tornillo de Arquímedes actúan como una nueva forma de pequeña central hidroeléctrica que se puede aplicar incluso en sitios de baja caída . Estos generadores funcionan en una amplia gama de caudales (0,01 a 14,5 ) y alturas (0,1 ma 10 m), incluidas alturas bajas y caudales moderados, lo que no es ideal para turbinas tradicionales y no está ocupado por tecnologías de alto rendimiento. El tornillo de Arquímedes es una máquina hidráulica reversible, y existen varios ejemplos de instalaciones de tornillo de Arquímedes en las que el tornillo puede funcionar 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 el dispositivo se había utilizado en el Antiguo Egipto mucho antes de su época. [3] Un transportador de tornillo es un dispositivo similar que transporta materiales a granel como polvos y granos.
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La bomba de tornillo es la bomba de desplazamiento positivo más antigua . [1] Los primeros registros de un tornillo de agua, o bomba de tornillo, se remontan al Egipto helenístico antes del siglo III a.C. [1] [4] El tornillo egipcio, utilizado para levantar agua del Nilo , estaba compuesto por tubos enrollados alrededor de un cilindro; A medida que toda la unidad gira, el agua se eleva dentro del tubo espiral hasta 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 estrechamente las superficies entre las ranuras. [1]
Algunos investigadores han propuesto que este dispositivo se utilizó para irrigar los Jardines Colgantes de Babilonia , una de las Siete Maravillas del Mundo Antiguo . Stephanie Dalley [5] ha interpretado una inscripción cuneiforme del rey asirio Senaquerib (704-681 a. C.) que describe la fundición de tornillos de agua en bronce unos 350 años antes. Esto concuerda con el autor clásico Estrabón , quien describe los Jardines Colgantes como irrigados por tornillos. [6]
Posteriormente, la bomba de tornillo se introdujo desde Egipto en Grecia. [1] Fue descrito por Arquímedes , [7] con motivo de su visita a Egipto , hacia el año 234 a.C. [8] Esta tradición puede reflejar sólo que el aparato era desconocido para los griegos antes de la época helenística . [7] Arquímedes nunca reclamó el mérito de su invención, pero se la atribuyó 200 años después Diodoro , quien creía que Arquímedes inventó la bomba de tornillo en Egipto. [1] Las representaciones de tornillos hidráulicos griegos y romanos muestran que son impulsados por un ser humano que pisa la carcasa exterior para girar todo el aparato como una sola pieza, lo que requeriría que la carcasa estuviera unida rígidamente 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. [9]
El tornillo de Arquímedes consta de un tornillo (una superficie helicoidal que rodea un eje cilíndrico central) dentro de un tubo hueco. El tornillo suele girarse mediante molinos de viento, mano de obra, ganado o medios modernos, como un motor. A medida que el eje gira, el extremo inferior recoge un volumen de agua. Luego, el helicoidal giratorio empuja esta agua hacia arriba del tubo hasta que sale por la parte superior del tubo.
No es necesario que la superficie de contacto entre el tornillo y la tubería sea perfectamente estanca, siempre y cuando la cantidad de agua que se extraiga 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 sección inferior, el siguiente segmento del tornillo la transferirá hacia arriba.
En algunos diseños, el tornillo está fusionado a 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 en bronce.
El diseño del común tornillo de agua griego y romano, en contraste con el pesado dispositivo de bronce de Senaquerib , con sus problemáticas cadenas de transmisión, tiene una poderosa simplicidad. Se construyó una doble o triple hélice con tiras de madera (u ocasionalmente láminas de bronce) alrededor de un pesado poste de madera. Se construyó un cilindro alrededor de las hélices utilizando tablas largas y estrechas sujetas a su periferia e impermeabilizadas con brea. [6]
Los estudios muestran que el volumen de flujo que pasa a través de los tornillos de Arquímedes es función de la profundidad de entrada, el diámetro y la velocidad de rotación del tornillo. Por lo tanto, se podría utilizar la siguiente ecuación analítica para diseñar tornillos de Arquímedes:
donde esta y:
: Velocidad de rotación del tornillo de Arquímedes (rad/s)
: Tasa de flujo volumétrico
Basado en los estándares comunes que utilizan los diseñadores de tornillos de Arquímedes, esta ecuación analítica podría simplificarse como: [2]
El valor de η podría determinarse simplemente usando la gráfica o gráfica. [2] Mediante la determinación de , se pueden calcular otros parámetros de diseño de los tornillos de Arquímedes utilizando un método analítico paso a paso.
El tornillo sinfín se utilizaba principalmente para transportar agua a sistemas de riego y para deshidratar minas u otras zonas bajas. Se utilizó para drenar tierras que se encontraban bajo el 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 a sólidos en suspensión. Una barrena en un quitanieves o elevador de granos es esencialmente un tornillo de Arquímedes. Los camiones hormigonera utilizan tornillos de Arquímedes en el interior de su tambor para mezclar o descargar material.
El principio también se encuentra en las escaleras mecánicas, que son tornillos de Arquímedes diseñados para levantar peces de forma segura desde los estanques y transportarlos a otro lugar. Esta tecnología se utiliza principalmente en criaderos de peces, donde es deseable minimizar la manipulación física de los peces.
En 2001 se utilizó un tornillo de Arquímedes para estabilizar con éxito la Torre Inclinada de Pisa . Se eliminaron pequeñas cantidades de subsuelo saturado por agua subterránea desde muy por debajo del lado norte de la torre, y el peso de la propia torre corrigió la inclinación. Los tornillos de Arquímedes también se utilizan en las fuentes de chocolate .
Las turbinas de tornillo (AST) son una nueva forma de generador para pequeñas centrales hidroeléctricas que podrían aplicarse incluso en sitios con baja caída de agua. La baja velocidad de rotación de los AST reduce los impactos negativos sobre la vida acuática y los peces.
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 del transportador al otro. Es particularmente adecuado para el transporte de materiales granulares, como gránulos de plástico utilizados en moldeo por inyección y granos de cereales . También se puede utilizar para transportar líquidos. En aplicaciones de control industrial, el transportador se puede utilizar como alimentador giratorio o alimentador de tasa variable para entregar una tasa o cantidad medida de material a 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 compactar materiales de desecho.
Si se introduce agua en la parte superior de un tornillo de Arquímedes, lo obligará a girar. Luego, el eje giratorio se puede utilizar para accionar un generador eléctrico. Una instalación de este tipo tiene las mismas ventajas que utilizar el tornillo para bombear: la capacidad de manejar agua muy sucia y caudales muy variables con alta eficiencia. Settle Hydro y Torrs Hydro son dos microsistemas hidroeléctricos de tornillo inverso que operan en Inglaterra. El tornillo funciona bien como generador de baja altura , comúnmente encontrado en los ríos ingleses, incluido el Támesis , que alimenta el Castillo de Windsor . [10]
En 2017, se inauguró la primera energía hidroeléctrica de tornillo inverso en los Estados Unidos en Meriden, Connecticut . [11] [12] El proyecto Meriden fue construido y 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 5 años.
El tornillo de Arquímedes se desarrolló en el antiguo Egipto y posteriormente fue utilizado por Arquímedes (287-212 a. C.)
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