BOMBA DE ARIETE HIDRAULICO

La bomba de ariete hidráulico es una máquina de construcción y funcionamiento muy sencillo y de bajo costo, este aprovecha la elevada presión generada por el fenómeno conocido como “golpe de ariete hidráulico” para impulsar un fluido a una altura superior de su altura inicial.

1º FUNCIONAMIENTO

Para el funcionamiento de la bomba de ariete hidráulico se requiere contar con una caída de fluido inicial no menor de un metro que se denomina “altura de carga” H y un “caudal de alimentación ”Q.”

Como resultado se tendrá un “caudal de descarga” q una “altura de descarga” h Es posible impulsar un fluido a alturas h que sean muy superiores a 4 veces la altura H, sin embargo la cantidad de fluido de llegada q disminuirá considerablemente haciendo el sistema menos productivo. De acuerdo al diseño se pueden construir bombas de ariete hidráulico de diferentes tamaños como 1”, 2”, 4”, 8”, de esto dependerá el caudal de llegada y por lo tanto la altura final de llegada.

2º POTENCIAL DE USO

Por el bajo costo de construcción, costo de operación cero y cero contaminación (no se utiliza ningún tipo de energía ni combustible fuera de la fuerza del fluido) se considera que este equipo puede ser utilizado en casi toda actividad donde el caudal inicial de fluido no sea un problema o pueda ser reciclado.

La presente tecnología es una alternativa de solución con muchísimas ventajas con respecto al uso de sistemas y equipos de bombeo más conocidos (motobombas, electro bombas), por tanto nos corresponde a nosotros plantear esta alternativa muy antigua por cierto en usos y necesidades actuales como riego, agua potable y otros.

3º Golpe de Ariete

El golpe de ariete o también conocido golpe hidráulico fue descrito por primera vez en el año 1889 por N. J. Zhukovsky, un eminente científico ruso. Zhukovsky nos dice que el golpe de ariete es la variación de la presión en los conductos de agua, provocada por el aumento o la disminución brusca de la velocidad de movimiento del líquido, esta variación puede ser ocasionada por el cierre o abertura de una llave, grifo o válvula; también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor o bomba hidráulica

4º Principio del Golpe de Ariete

En la figura 1-1 se observa la situación en donde se produce el golpe hidráulico, N. J. Zhukovsky nos indica que si durante el movimiento del líquido por una tubería larga 3, del recipiente 1 al recipiente 2 se cierra rápidamente la llave 5, el líquido, por motivo de la inercia, se moverá algún tiempo en la dirección anterior creando cerca de la llave una zona de presión elevada. A veces ésta excede muchas veces la presión inicial (antes de cerrar la llave). Al mismo tiempo la presión detrás de la llave se reduce. Al cerrar rápidamente las llaves, la presión elevada que surge puede conducir a la destrucción de la tubería en lugares más débiles. El fenómeno se considera indeseable porque causa frecuentes roturas en las redes hidráulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y también es causante de los sonidos característicos que escuchamos en las tuberías cuando abrimos un grifo bruscamente en nuestras casas.

Figura 1- 1 Instalación hidráulica

El choque de ariete que se produce involuntariamente puede provocar daños importantes en las tuberías. Sobre todo en las turbinas de agua con caída desde grandes alturas se intenta evitar que este choque de ariete no provoque daños con medidas constructivas adecuadas.

5º Métodos de amortiguamiento y ejemplos de utilización del golpe hidráulico

N.E. Zhukovsky no solo dio la descripción matemática del golpe hidráulico en conductos de agua, sino que señalo los métodos de su liquidación o disminución considerable. Estas medidas realmente son muy simples. Hace falta eliminar las causas que provocan la aparición del golpe hidráulico, es decir, no permitir una variación rápida de la velocidad de movimiento del agua en las tuberías, o sea no se puede abrir o cerrar rápidamente las válvulas. En la mayoría de los casos es posible hacer esto. Por lo que se empezaron a desarrollar y utilizar tipos de llaves en vez de grifos de tapón. Con ayuda de las llaves el flujo de líquido en las tuberías se detiene con relativa lentitud. Como conclusión podemos decir que el método más eficiente de reducir el golpe de ariete es el cierre lento de la llave. Sin embargo, en una serie de casos es imposible realizarlo. En el caso de las turbinas hidráulicas, es imprescindible cerrar rápidamente su dispositivo guía y cortar el suministro de agua a la turbina. De lo contrario, la frecuencia de rotación de la turbina aumenta bruscamente, lo que puede conducir a su deterioro. Pero por otro lado tenemos que el cierre rápido del dispositivo guía provocará inevitablemente el golpe hidráulico. En los conductos de agua de las centrales hidroeléctricas, con el fin de reducir el golpe hidráulico, al cerrar repentinamente el dispositivo guía de la turbina, se construyen unos depósitos cilíndricos altos abiertos o tanque de compensación, cuyas cavidades se comunican con los conductos de agua a través de los orificios de los diafragmas de separación. Al surgir el golpe hidráulico, el agua del conducto se dirige a través del orificio en el diafragma a la cavidad del tanque amortiguando así la fuerza del golpe hidráulico. Las oscilaciones del nivel de agua en el tanque se amortiguarán con el tiempo, así como las oscilaciones de la presión en el propio conducto de agua. En los sistemas de suministro de agua menos profundo se utilizan otros medios contra el golpe hidráulico. En los conductos de agua, para prevenir el dicho efecto, se instalan válvulas especialmente diseñadas que se abren sólo cuando sucede el aumento de la presión. En vez de válvulas de seguridad de alto precio se ponen a veces diafragmas de seguridad, cuyo espesor es suficiente para aguantar las presiones normales, al surgir el golpe hidráulico, tal diafragma se rompe, una parte del agua se vierte de la tubería de presión, pero el propio conducto de agua en este caso queda intacto. El reemplazo del diafragma, como regla, es una operación no trabajosa. A lo largo del conducto de agua se instalan también campanas de aire. Cuando surge el golpe hidráulico, el aire en estas se comprime amortiguando así el golpe. Hay casos de utilización de la fuerza destructiva del golpe hidráulico en ciertos dispositivos, como ejemplo podemos citar el Ariete Hidráulico en el que se aprovecha toda la energía que produce el golpe de ariete.

6º Arietes hidráulicos en serie y paralelo

Existen algunas alternativas para el mejoramiento de la eficiencia de estos sistemas, como por ejemplo colocar varios arietes en forma paralela alimentados con un solo tubo de alimentación, esto depende de la condición del sitio donde se los va instalar. En el caso de que la fuente de agua sea abundante y la demanda de agua sea alta, un set de ariete hidráulico podría no elevar la suficiente cantidad de agua para abastecer la demanda, por lo que es recomendable la instalación de algunos sets de arietes hidráulicos en paralelo1, como lo podemos ver la figura 1-2. Para la instalación en serie de estos sistemas, se tiene en cuenta la altura a la que se quiere llegar, porque si es la altura es muy elevada un solo ariete tendría que

ser muy grande, por lo que se coloca varios arietes hasta alcanzar la altura deseada, los arietes a medida que se los coloca a diferentes alturas, son de menor tamaño.

Figura 1- 2 Sistema de Arietes hidráulicos en paralelo.

Figura 1- 3 Dos Arietes hidráulicos colocados en serie

7º Períodos en que se divide el ciclo de trabajo del Ariete Hidráulico

El aprovechamiento del golpe de ariete se divide en 3 periodos bien definidos durante un ciclo de operación. En las figuras que se encuentran a continuación se muestra de manera más comprensiva. Como partida se inunda el sistema aguas abajo, la válvula de impulsión se cierra debido a la presión inicial Ha, el agua hace que se abra la válvula check, hasta el nivel Ha debido al principio de vasos comunicantes. Seguido de este primer paso, se debe accionar la válvula de impulsión manualmente, así se extrae el aire de las tuberías, hasta que el ariete comience a funcionar automáticamente.

Figura 1- 4 Eventos que se presentan en un ciclo

Figura 1 – 5 Representación gráfica de los periodos velocidad-tiempo

En donde:

Ta = Tiempo de duración del periodo de aceleración en s.

Td = Tiempo de duración del periodo de bombeo en s.

Tr = Tiempo de duración del periodo de retroceso en s.

T = Tiempo de duración del ciclo en s.

vc = Velocidad del agua en la tubería de alimentación en el momento del cierre de la válvula de impulsión en m/s.

vr = Velocidad del agua durante el período de flujo invertido en m/s.

v(t) = Velocidad del agua en la tubería de alimentación en los diferentes instantes de tiempo en m/s.

La figura 1-5 muestra los períodos en que se divide el ciclo, aquí se tienen dos variables muy importantes que son el caudal de bombeo qb, y el caudal derramado por la válvula de impulso Qp, los cuales por la física de los fluidos están en función de la velocidad y el tiempo por lo que las ecuaciones que gobiernan estos hechos físicos son2:

En donde:

DCHECK = diámetro de entrada a la válvula check en m.

T = periodo en s.

v(t) = velocidad del agua en la tubería de alimentación m/s.

8º Período 1: Aceleración

Se podría decir que este fenómeno inicia desde que la energía cinética del agua es nula, por lo que la velocidad es igualmente cero, es decir el agua todavía se encuentra en el tanque de captación, seguido de esto el agua empieza a acelerar debido a la gravedad, las válvulas se encuentran en su posición baja hasta que el agua llega con una presión que está en función directa con la altura de alimentación Ha, haciendo que se cierren, terminando el período 1 y comienza el período 2

9º Periodo 2: Bombeo

El instante en que las válvulas de impulso se cierran, inicia el período 2, este finaliza el momento que se produce una desaceleración del flujo en la cámara

de aire como podemos observarlo. En este instante en el sector de la válvula de impulso se produce una presión muy alta, esta es amortiguada en la cámara de aire.

10º Periodo 3: Retroceso

El período 3 se observa en el cual consta de 3 partes: la caída de presión, la reapertura de la válvula de impulso, y el tiempo durante el cual se cierra la válvula check. Aquí la velocidad vuelve hacer cero, teniendo un nuevo ciclo en progreso. Se observa que el colchón de aire que existe en la cámara de aire ejerce una presión sobre la válvula check haciendo que se cierre haciendo que el agua fluya por la tubería de descarga y no vuelva a la tubería de impulsión. Al retroceder el agua por la tubería de alimentación se produce una sección de baja presión en el cuerpo del ariete, al mismo tiempo se abre nuevamente la válvula de impulsión, empezando un nuevo ciclo de trabajo