BOMBA DE ARIETE HIDRAULICOLa bomba de ariete hidrulico es una
mquina de construccin y funcionamiento muy sencillo y de bajo
costo, este aprovecha la elevada presin generada por el fenmeno
conocido como golpe de ariete hidrulico para impulsar un fluido a
una altura superior de su altura inicial.FUNCIONAMIENTO Para el
funcionamiento de la bomba de ariete hidrulico se requiere contar
con una cada de fluido inicial no menor de un metro que se denomina
altura de carga H y un caudal de alimentacin Q.
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 disminuir considerablemente haciendo el sistema menos
productivo. De acuerdo al diseo se pueden construir bombas de
ariete hidrulico de diferentes tamaos como 1, 2, 4, 8, de esto
depender el caudal de llegada y por lo tanto la altura final de
llegada. (Ms adelante se muestra el proceso de construccin para una
bomba de ariete de 1 en base a accesorios de PVC).POTENCIAL DE
USOPor el bajo costo de construccin, costo de operacin cero y cero
contaminacin (no se utiliza ningn tipo de energa 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
tecnologa es una alternativa de solucin con muchsimas ventajas con
respecto al uso de sistemas y equipos de bombeo ms 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.Elgolpe de
arieteopulso de Zhukowski, llamado as por el ingeniero rusoNikoli
Zhukovski, es junto a lacavitacin, el principal causante de averas
entuberas e instalaciones hidrulicas.
Material destruido por un "golpe de ariete".Elgolpe de arietese
origina debido a que el fluido es ligeramenteelstico(aunque en
diversas situaciones se puede considerar como unfluidono
compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente
unavlvulao un grifo instalado en el extremo de unatuberade cierta
longitud, las partculas de fluido que se han detenido son empujadas
por las que vienen inmediatamente detrs y que siguen an en
movimiento. Esto origina unasobrepresinque se desplaza por la
tubera a unavelocidadque puede superar lavelocidad del sonidoen el
fluido. Esta sobrepresin tiene dos efectos: comprime ligeramente el
fluido, reduciendo suvolumen, y dilata ligeramente la tubera.
Cuando todo el fluido que circulaba en la tubera se ha detenido,
cesa el impulso que la comprima y, por tanto, sta tiende a
expandirse. Por otro lado, la tubera que se haba ensanchado
ligeramente tiende a retomar su dimensin normal. Conjuntamente,
estos efectos provocan otraonda de presinen el sentido contrario.
El fluido se desplaza en direccin contraria pero, al estar la
vlvula cerrada, se produce una depresin con respecto a la presin
normal de la tubera. Al reducirse la presin, el fluido puede pasar
a estado gaseosoformando una burbuja mientras que la tubera se
contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubera, si laondano se
ve disipada, por ejemplo, en un depsito apresin atmosfrica, se
reflejar siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia
a la compresin del fluido y la dilatacin de la tubera.Si el cierre
o apertura de la vlvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre
es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubera ida
y vuelta, la sobrepresin mxima se calcula como,donde: es la
velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de
sobrepresin o depresin, es la velocidad media del fluido, en
rgimen, es la aceleracin de la gravedad.A su vez, la velocidad de
la onda se calcula como:
donde: es el mdulo elstico del fluido, es la densidad del
fluido, es el mdulo de elasticidad (mdulo de Young) de la tubera
que naturalmente depende del material de la misma, es el espesor de
las paredes de la tubera, es el dimetro de la tubera.Para el caso
particular de tener agua como fluido: Esta expresin se llega a la
frmula de Allievi:
donde se introduce una variable (lambda) que depende del
material de la tubera, y a modo de referencia se da el siguiente
valor: El problema del golpe de ariete es uno de los problemas ms
complejos de la hidrulica, y se resuelve generalmente
mediantemodelos matemticosque permiten simular el comportamiento
del sistema.Lasbombas de arietefuncionan gracias a estefenmeno.Este
fenmeno es muy peligroso, ya que la sobrepresin generada puede
llegar a entre 60 y 100 veces la presin normal de la tubera,
ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos
(grifos, vlvulas, etc.)
CONSECUENCIASLa fuerza del golpe de ariete es directamente
proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de
sobrepresin se cargarn de msenerga, e inversamente proporcional al
tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el
cierre, ms fuerte ser el golpe.El golpe de ariete estropea el
sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberas
dehierro colado, ensancha las deplomo, arranca codos instalados,
etc.DISPOSITIVOS PARA CONTROLAR GOLPE DE ARIETEPara evitar este
efecto, existen diversos sistemas: Para evitar los golpes de ariete
causados por el cierre de vlvulas, hay que estrangular gradualmente
la corriente de fluido, es decir, cortndola con lentitud utilizando
para ello, por ejemplo,vlvulas de asiento. Cuanto ms larga es la
tubera, tanto ms tiempo deber durar el cierre. Sin embargo, cuando
la interrupcin del flujo se debe a causas incontrolables como, por
ejemplo, la parada brusca de unabombaelctrica, se utilizan tanques
neumticos con cmara deaire comprimido, torres piezomtricas o
vlvulas de muelle que puedan absorber la onda de presin, mediante
un dispositivo elstico. Otro mtodo es la colocacin de ventosas de
aireacin, preferiblemente trifuncionales1. funcin: introducir aire
cuando en la tubera se extraiga el fluido, para evitar que se
generen vacos;2. funcin: extraccin de grandes bolsas de aire que se
generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido
acabe reventando codos o, como es ms habitual en las crestas de las
redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire;3. funcin:
extraccin de pequeas bolsas de aire, debido a que el sistema de las
mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extraccin
de grandes cantidades y otra va para las pequeas bolsas que se
puedan alojar en la misma ventosa. Otro caso comn de variacin
brusca de la velocidad del flujo en la tubera se da en las
centrales hidroelctricas, cuando se produce una cada parcial o
total de la demanda. En estos casos tratndose de volmenes
importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la
mayora de los casos torres piezomtricas, o chimeneas de equilibrio
que se conectan con la presin atmosfrica, o vlvulas de
seguridad.