El ariete hidráulico
Un dispositivo de bombeo que no contamina.
Por Alejandro Montecinos (Especialista del CITA) y Leopoldo Gallardo (Director del CITA)
A lo lejos, el río hacía un recodo y podíamos escuchar un
gol-peteo metálico y regular.
Más cerca vimos que hasta el lugar no llegaban cables eléctricos que pudieran suministrar energía al motor que de forma constante mantenía su actividad, tampoco pudimos ver la nube de humo negro emitida por un motor de petróleo, ni el olor de la gasolina nos indicaba el consumo de combustible. El ruido parecía provenir de un sistema que a un lado del cauce y a un nivel más bajo que éste, impulsaba el agua que había tomado del río por una tubería que ascendía a lo largo de la falda de la loma, hasta un tanque donde caía con un ritmo regular. |
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El sistema en cuestión, que no trabaja con ninguna fuente de energía convencional y sirve para bombear agua, recibe el nombre de ariete hidráulico y en el presente artículo los especialistas del Centro Integrado de Tecnologías Apropiadas (CITA) nos hacen una descripción de su funcionamiento, así como de las ventajas que representa el uso de esta tecnología.
El ariete hidráulico es una bomba de agua que funciona aprovechando la energía hidráulica, sin requerir ninguna otra energía externa. Mediante un ariete se consigue elevar parte del agua de un río, arroyo o manantial a una altura superior.
Principio de funcionamiento
El sistema se basa en el fenómeno conocido en la hidráulica como golpe de ariete, el cual se observa cuando se interrumpe el flujo de agua cerrando bruscamente una tubería. La energía cinética, que trae el agua en movimiento, al ser detenida, origina un aumento brusco o golpe de presión.
Con el ariete hidráulico se producen continuamente estos golpes en un tubo que se alimenta con agua de una presa, de un río o cualquier desnivel, y se aprovechan los aumentos de presión para mandar una parte del agua que pasa por el tubo a una altura superior.
En el esquema se muestran los elementos esenciales para el funcionamiento del ariete hidráulico, que son:
La presa, un río o cualquier otro medio que permite crear un desnivel en relación con el ariete (generalmente de 0,5 m como mínimo).
El tubo de impulso. Según las reglas convencionales debe tener un largo entre 100 y 500 veces el diámetro del tubo, y un mínimo de 2 y hasta 7 veces la altura de la presa, según el tipo de ariete.
La válvula de impulso (válvula 3) con su cámara, que según las mismas reglas, debe tener como mínimo el doble del diámetro del tubo de impulso.
La válvula de retención (válvula 4), la cual generalmente es la mitad del diámetro de la válvula anterior, depende en primer lugar del caudal de bombeo y la frecuencia de los golpes.
Encima de la válvula de retención se encuentra la cámara de aire (5) que debe tener un mínimo de 10 veces el volumen del agua que entra por golpe.
Por último se observa el tubo de bombeo, generalmente de la mitad del diámetro del tubo de impulso, aunque es más lógico determinarlo según el caudal de bombeo, el largo del tubo y la potencia disponible.
Cuando se llena el sistema, la válvula de impulso se cierra por la presión de la carga inicial de la presa y el agua sube a través de la válvula de retención, que se abre por la misma presión, hasta el nivel de la presa por el principio de los vasos comunicantes.
Se abre la válvula de impulso manualmente y el agua en el tubo de impulso comienza a acelerarse hasta que tiene suficiente velocidad para cerrar esta válvula. En este momento ocurre el golpe de ariete que produce la apertura de la válvula de retención, permite la descarga de energía del agua en movimiento y la entradade agua en la cámara de aire, y de ahí en el tubo de bombeo, donde sube el agua a un nivel superior.
Al cesar el empuje del agua en el tubo de impulso, se cierra la válvula 2 por la presión que tiene encima.
Al repetir algunas veces la apertura manual de la válvula de impulso, la presión en el tubo de bombeo sube tanto que la columna de agua del tubo de impulso sufre una resistencia para entrar en la cámara de aire, y comienza a actuar como un martillo que golpea una superficie dura.
Es decir, la columna en el tubo de impulso golpea y "rebota", o retrocede (por la flexibilidad de los materiales), lo que hace que se produzca un flujo inverso hacia la entrada del tubo de impulso.
En este momento el agua ejerce una succión en el interior del tubo de impulso, por lo cual se abre la válvula de impulso y se reinicia la aceleración de la columna hasta que se cierra la válvula de impulso de nuevo.
De esta forma continúa el funcionamiento automáticamente, de día y de noche.
El ariete hidráulico puede ser considerado como un motor hidráulico, y en su versión convencional funciona al mismo tiempo como bomba. Para un acercamiento fácil y práctico al cálculo general de este aparato, es más cómodo compararlo con un transformador eléctrico.
Leyenda:
1. Fuente de alimentación 2. Tubería de impulso 3. Válvula de impulso 4. Válvula de retención 5. Cámara de aire 6. Caja de válvulas 7. Tubería de descarga 8. Tanque de abastecimiento |
Esquema sobre la instalación y el funcionamiento del ariete hidráulico |
El transformador eléctrico recibe una tensión baja (en voltios) con una corriente eléctrica (en amperes) relativamente alta, y lo transforma en un régimen de mayor tensión y menor intensidad de corriente.
Algo similar ocurre a nivel hidráulico en una instalación con un ariete. El aparato recibe el gran caudal con la carga moderada o baja y lo transforma en un régimen de mayor presión con un menor caudal.
Orientaciones para la instalación
Del largo del tubo de impulso depende el funcionamiento automático de un ariete.
Si el tubo no tiene suficiente largo, el cambio en volumen entre expansión y contracción no es suficiente para producir la succión necesaria para abrir la válvula de impulso, o el tiempo entre los dos extremos (ida y vuelta de la onda aproximadamente 1100 m/s), será demasiado corto para superar la inercia de la misma válvula.
Para un ariete convencional este largo varía de constructor a constructor, y coincide de 3 hasta 11 veces la carga de entrada o de 300 a 500 veces el diámetro del tubo de impulso.
A través del CITA se promueve una nueva versión, el Ariete Hidráulico Multipulsor (AHM), que difiere del tradicional en que para incrementar los gastos de bombeo no se aumenta el diámetro de la válvula de impulso y la de descarga o retención, sino que se aumenta el área de descarga y se incrementa el número de válvulas, manteniendo diámetros pequeños, que de forma sumaria logran iguales objetivos con características funcionales más racionales.
Las instalaciones de AHM han dado buenos resultados con largo de 6 m o de 1 a 1,5 veces la carga de entrada, independientemente del diámetro del tubo de impulso.
Las vibraciones que produce el golpe de ariete hacen necesario prever un tubo de impulso, preferiblemente de acero, que resista un régimen de trabajo caracterizado por una fatiga excesiva.
Según las condiciones en el subsuelo, se prevé como anclaje un bloque de alrededor de 1 m3 de concreto por unidad de AHM de 6".
Para evitar obstaculización en las válvulas de impulso y de retención, se coloca un filtro de suficiente capacidad en la entrada del tubo de impulso.
Para evitar la entrada de aire en el tubo de impulso por la formación de un remolino, se mantiene una distancia mínima de 50 cm entre el espejo del agua en la presa y la entrada del tubo de impulso.
El aire que entra en el sistema de esta forma incontrolada se comprime en el momento del golpe de ariete, amortiguando parcialmente el impulso, lo cual resulta en pérdida de energía de bombeo y puede provocar inestabilidad o interrupción en el funcionamiento de la instalación.
Por otro lado, existe la necesidad de mantener el nivel de aire en la cámara de aire, que sirve como colchón de amortiguación contra la propagación de los golpes de ariete en el tubo de bombeo.
Con este fin se mantiene la válvula de aire suficientemente abierta, para compensar la fuga de aire por absorción en el agua.
En caso de funcionamiento durante cierto tiempo en condiciones de inundación, se prevé un inyector de aire que tiene su punto de aspiración encima del espejo de agua en condiciones críticas.
Con el Ariete hidráulico Multipulsor (AHM) desarrollado por el CITA se logra disminuir los costos de la inversión y, sobre todo, aumentar la eficiencia y la potencia.