Tornillo de Arquímedes

Tornillo de Arquímedes.

El tornillo de Arquímedes es una máquina utilizada para elevación de agua, harina o cereales. Fue supuestamente inventado en el siglo III adC por Arquímedes, del que recibe su nombre, aunque existen hipótesis de que ya era utilizado en Egipto.

Se basa en un tornillo que se hace girar dentro de un cilindro hueco, situado sobre un plano inclinado, y que permite elevar el agua situada por debajo del eje de giro.

Desde su invención hasta ahora se ha utilizado para el bombeado de fluidos.También es llamado Tornillo Sinfin por su circuito en infinito.

Una bomba de tornillo es un tipo de bomba hidráulica considerada de desplazamiento positivo, que se diferencia de las habituales, más conocidas como bombas centrífugas. Esta bomba utiliza un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa.

Está específicamente indicada para bombear fluidos viscosos, con altos contenidos de solidos, que no necesiten removerse o que formen espumas si se agitan. Como la bomba de tornillo desplaza el líquido, este no sufre movimientos bruscos, pudiendo incluso bombear uvas enteras.

Uno de los usos que tiene es la de bombear fangos de las distintas etapas de las depuradoras, pudiendo incluso bombear fangos deshidratados procedentes de filtros prensa con un 22-25% de sequedad.

Este tipo de bombas son ampliamente utilizadas en la industria petrolera a nivel mundial, para el bombeo de crudos altamente viscosos y con contenidos apreciables de sólidos. Nuevos desarrollos de estas bombas permiten el bombeo multifásico.

En este tipo de bombas pueden operar con flujos fijos a su descarga, aún cuando bombeen contra una red de presión variable. Convirtiéndolas en excelentes equipos de bombeo a utilizar en redes de recolección de petróleo. En el caso de las bombas centrífugas. el flujo entregado depende de la presión a su descarga.

Bomba peristáltica

Bomba peristáltica rotatoria

Bomba peristáltica lineal

Bomba peristáltica lineal

Una bomba peristáltica es un tipo de bomba de desplazamiento positivo usada para bombear una variedad de fluidos. El fluido es contenido dentro de un tubo flexible empotrado dentro de una cubierta circular de la bomba (aunque se han hecho bombas peristálticas lineales). Un rotor con un número de 'rodillos', 'zapatos' o 'limpiadores' unidos a la circunferencia externa comprimen el tubo flexible. Mientras que el rotor da vuelta, la parte del tubo bajo compresión se cierra (o se ocluye) forzando, de esta manera, el fluido a ser bombeado para moverse a través del tubo. Adicionalmente, mientras el tubo se vuelve a abrir a su estado natural después del paso de la leva ('restitución'), el flujo del fluido es inducido a la bomba. Este proceso es llamado peristalsis y es usado en muchos sistemas biológicos como el aparato digestivo.

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Usos

Las bombas peristálticas son típicamente usadas para bombear fluidos limpios o estériles porque la bomba no puede contaminar el líquido, o para bombear fluidos agresivos porque el fluido no puede contaminar la bomba. Algunas aplicaciones comunes incluyen bombear productos químicos agresivos, mezclas altas en sólidos y otros materiales donde el aislamiento del producto del ambiente, y el ambiente del producto, son críticos.

Bombas de alta y baja presión

Las bombas peristálticas de más alta presión, que típicamente pueden operar con hasta 16 bar, usualmente usan zapatos y tienen cubiertas llenas con lubricante para prevenir la abrasión del exterior del tubo de la bomba y para ayudar en la disipación del calor. Usualmente usan tubos reforzados, a menudo llamados 'mangueras', y esta clase de bomba es con frecuencia llamada 'bomba de manguera'.

Las bombas peristálticas de más baja presión, tienen típicamente cubiertas secas y usan rodillos. Usualmente usan tuberías no reforzadas, y esta clase de bomba a veces es llamada una 'bomba de tubo' o ' bomba de tubería'.

Ventajas

Debido a que la única parte de la bomba en contacto con el fluido que es bombeado es el interior del tubo, las superficies internas de la bomba son fáciles de esterilizar y limpiar. Además, puesto que no hay partes móviles en contacto con el líquido, las bombas peristálticas son baratas de fabricar. Su carencia de válvulas, de sellos y de arandelas, y el uso de mangueras o tubos, hace que tengan un mantenimiento relativamente de bajo costo comparado a otros tipos de bombas.

Usos típicos

• Máquinas de diálisis • Máquinas de bombas para bypass de corazón abierto • Fabricación de alimentos • Dispensar de bebidas • Producción farmacéutica • Lodo de aguas residuales • Fuentes y cascadas decorativas de mesa

Bomba de ariete

Una bomba de ariete es una bomba cíclica que utiliza la energía potencial de un fluido para subir una parte de ese fluido a un nivel superior. No necesita por lo tanto aporte de otra energía exterior. Esto y su sencillez la hace adecuada para lugares remotos o pobres donde no hay acceso a energía eléctrica o motores de otro tipo.

Historia

Parece ser que John Whitehurst de Cheshire en 1772 fabricó lo que llamó una "máquina de pulsación" pero no se tienen detalles sobre el invento. La primera bomba de ariete similar a las de hoy de la que tenemos noticia fue inventada en 1796 por el francés Joseph Michel Montgolfier quien la instaló en su fábrica de papel. Durante el siglo XIX la bomba de ariete se popularizó mucho pero con la llegada de la electricidad y los motores baratos ha caído en desuso en los paises más ricos aunque sigue utilizándose en

países más pobres.

Funcionamiento

Bomba de ariete:A. Depósito de origen;B. Tubería de carga;C. Válvula de descarga;D. Válvula de retención;E. Calderín de presión;F. Tubería de descarga;G. Depósito de descarga;K. Válvula (opcional) de admisión de aire.

El principio de funcionamiento es como sigue. El líquido, normalmente agua, procedente de un depósito suministrador A se acelera por un tubo de carga inclinado B con lo que su energía potencial se convierte en energía cinética. Cuando la velocidad llega a un valor determinado, la válvula de descarga C súbitamente cierra cortando el flujo lo cual genera una sobrepresión en el extremo inferior del tubo de carga que fuerza el agua a abrir la válvula anti-retorno D y a subir por el tubo de descarga F hacia el nivel superior del depósito G. La válvula de descarga C está diseñada de forma que ella

sola vuelve a abrir y el ciclo comienza de nuevo, cerrándose cada vez que el flujo adquiere cierto valor.

En E se coloca una campana o calderín lleno de un gas a presión, normalmente aire, que amortigua los golpes de ariete y mantiene un flujo más constante de fluido por el tubo F. Este gas se acaba disolviendo en el agua por lo que es necesario reponerlo o envolverlo en un globo de goma para evitar que se disuelva. Algunas bombas van provistas de un sistema que inyecta una burbuja de aire con cada ciclo. Este sistema consiste en que se diseña el mecanismo para que al cerrar la válvula D permite que se invierta momentáneamente el flujo del agua por lo que al cerrar súbitamente la válvula se produce una depresión que fuerza la entrada de un poco de aire por la válvula K.

Si la bomba de ariete tuviera un rendimiento energético perfecto entonces la masa de agua perdida por la válvula C, a la que llamaremos Q, multiplicada por la altura de suministro h sería igual a la altura H multiplicada por la masa de agua elevada, q. Es decir: q = Q*h/H. En la realidad el rendimiento siempre es inferior y depende en gran medida de la relación h/H. En el mejor de los casos el rendimiento puede llegar al 85% pero decrece según crece la altura H y puede caer hasta el 20% o menos en instalaciones que bombean a gran altura.

Golpe de ariete

El golpe de ariete o pulso de Joukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolay Egorovich Zhukovskiy (Жуковский, Николай Егорович en ruso), es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

El golpe de ariete se origina debido a que el agua es ligeramente elástica (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de agua que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad algo menor que la velocidad del sonido en el agua. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el agua, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando toda el agua que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El agua se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el agua puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del agua y a la dilatación de la tubería.

El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y es resuelto generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema.

Consecuencias

Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc).

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe.

El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de agua, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc,

Dispositivos para controlar el golpe de ariete

Para evitar este efecto, existen diversos sistemas:

• Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de agua, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de rosca. Cuanto más larga es la tubería, tanto más deberá durar el cierre.

• Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas que puedan absorber la onda de presión.

• Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales (1ª función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el agua, para evitar que se generen vacíos; 2ª función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el agua acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire; 3ª función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa) 1 .

• Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de agua que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.