Hace un tiempo escribí sobre el golpe de ariete, un fenómeno hidráulico que puede provocar grandes problemas en las tuberías. Luego escribí sobre el golpe de ariete, un fenómeno algo relacionado con los sistemas de tuberías de vapor que puede ser extremadamente peligroso. Y luego, hice un seguimiento del golpe de ariete hablando de los fenómenos de vacío transitorios que pueden colapsar las tuberías si no están diseñadas y operadas correctamente. Pero incluso después de esos posts, resulta que no he contado toda la historia. Porque aunque el golpe de ariete es generalmente un problema para los ingenieros, hay una forma de aprovechar este efecto normalmente poco propicio para un uso beneficioso. Hola, soy Grady y esto es Ingeniería Práctica. En el episodio de hoy hablamos de las bombas hidráulicas de ariete.
Un ariete hidráulico es un ingenioso dispositivo inventado hace más de 200 años que puede bombear agua cuesta arriba sin ninguna otra fuente de energía externa, excepto el agua que fluye hacia él. No, no es un dispositivo de energía libre, pero si usted busca alrededor, usted encontrará un montón de grandes implementaciones de este estilo de la bomba en YouTube, principalmente de las personas que hacen homesteading y vlogs de estilo de vida fuera de la red. Y, es fácil ver por qué las bombas de ariete tienen tanta popularidad entre estos grupos. Porque si tienes un pedazo de tierra con una fuente abundante de agua, una bomba de ariete te permite llevar esa agua a un tanque o a un lugar a mayor altura con un diseño realmente elegante que no requiere electricidad ni combustible y sólo dos partes móviles. Así que, por supuesto, he construido la mía para que puedas ver cómo funciona, pero primero tenemos que construir un poco de conocimiento básico sobre el comportamiento de los fluidos. Y esto es algo que cualquiera puede entender.
Hay tres tipos de energía que puede tener un fluido, y en ingeniería civil, solemos convertirlos en sus equivalentes como la altura de una columna estática. Esta distancia se llama cabeza. Entendiendo la energía de un fluido es como resolvemos muchos problemas de ingeniería, porque en la mayoría de los escenarios, la cantidad de energía permanece igual, y lo único que cambia es la forma que toma. El primer tipo es la cabeza del potencial gravitatorio. No tiene una columna estática equivalente porque es una columna estática. La cabeza es sólo la distancia desde un punto de referencia arbitrario. Esta es fácil de demostrar con un tanque y un tubo. Puedo mover este tubo por donde quiera, pero el nivel en el tubo y en el tanque siempre va a ser el mismo. Ambos están expuestos a la presión atmosférica en su superficie y no se mueven, así que no hay velocidad. Es puro potencial gravitatorio.
El segundo tipo de energía es la cabeza de presión. En este caso, la cabeza es la presión dividida por la gravedad y la densidad del fluido. Así, si cierro la parte superior de mi depósito y añado un poco de presión de aire, el nivel en el tubo sube. La nueva altura es la cabeza de presión, la columna estática equivalente relacionada con la presión en el tanque. Para una presión determinada, un fluido más denso, como el mercurio, tendrá una altura menor en comparación con un fluido más ligero, como el agua, porque tienen pesos unitarios diferentes. Un buen ejemplo de medición de la cabeza de presión es un barómetro. Vivimos en el fondo de un océano de aire y nos gusta controlar la presión del aire aquí abajo. Una de las formas más sencillas de hacerlo es medir la altura a la que la presión puede empujar una columna estática de un fluido, en la mayoría de los casos el mercurio.
El último tipo de energía es la cabeza de velocidad, que se relaciona con la energía cinética de un fluido. Puedo demostrar la columna de agua equivalente utilizando una herramienta llamada tubo de Pitot. La conversión para la cabeza de velocidad es la velocidad al cuadrado dividida por 2 veces la aceleración gravitacional. Son muchos antecedentes, pero son importantes para entender la función de una bomba de ariete. Porque sin una fuente de energía externa, aunque pueda pasar de un tipo de energía a otro, no puede sacar más energía de la que tenía al principio. Por ejemplo, puedo convertir una columna de agua estática en una con cierta velocidad, pero nunca voy a conseguir que el fluido llegue a una altura superior a la que tenía al principio… con una excepción. Una excepción que la bomba hidráulica de ariete aprovecha maravillosamente.
Una bomba de ariete es esencialmente sólo dos válvulas de retención de una vía, una llamada válvula de descarga y la otra llamada válvula de suministro. Para ponerla en marcha, sólo hay que abrir momentáneamente la válvula de descarga para que fluya el agua. Después de eso, funciona por sí sola para bombear el agua cuesta arriba por encima de la elevación de la fuente. Bastante sorprendente, creo. Vamos a recorrer el camino del agua para entender cómo funciona. En primer lugar, al abrirse la válvula de descarga, el agua entra en la bomba y sale inmediatamente por la válvula. Pero, a medida que aumenta la velocidad, el agua que fluye finalmente obliga a la válvula de residuos a cerrarse de golpe. Ahora el agua está detenida en la bomba. Tenía energía cinética… pero ahora no la tiene. Eso significa que la energía cinética se convirtió en otra cosa, en este caso en presión. Esta es la definición de golpe de ariete. Cerrar una válvula de golpe convierte toda esa energía cinética casi instantáneamente, creando un enorme pico de presión que puede provocar tensiones y daños en los sistemas de tuberías y en los equipos conectados.
En el caso de la bomba de ariete, sin embargo, ese pico de presión tiene un efecto diferente. Abre la segunda válvula de retención y fuerza el agua que entra en la bomba a la línea de suministro. Como puedes ver en mi manómetro digital, este proceso es cíclico, bombeando parte del agua y desperdiciando el resto cada vez que la válvula se cierra. Se puede ver lo que está sucediendo aquí en tiempo real: la bomba está robando parte de la energía cinética del flujo y la imparte a un volumen más pequeño de agua. Se trata de una redistribución de la energía, convirtiendo la baja presión y el alto caudal en alta presión y bajo caudal. Y este tipo de bomba puede crear mucha altura. Llevé mi línea de descarga hasta muy por encima del techo de mi cobertizo, y mi bomba sigue siendo capaz de llevar el agua hasta allí. A veces se incluye una cámara de aire en la bomba para suavizar esos picos bruscos de presión y proporcionar una tasa de flujo más uniforme fuera de la tubería de entrega, reduciendo el desgaste de los componentes de la bomba.
Si le gusta pensar en términos de dispositivos eléctricos modernos, imagine que instalamos una turbina hidroeléctrica en una tubería para hacer girar un generador y luego utilizamos esa electricidad para alimentar una bomba que mueva el agua que sale de la turbina. Evidentemente, no se podría bombear toda el agua y, de todos modos, sería un montaje bastante complicado para algo que la bomba de rampa puede hacer con unas pocas piezas de fontanería muy sencillas. De hecho, hay un tipo de bomba que funciona con una turbina accionada por agua. Tal vez voy a construir uno de los próximos. Por ahora, sin embargo, creo que la bomba de ariete es una forma ingeniosa de aprovechar las propiedades de los fluidos. Todos necesitamos el agua por diversas razones, así que poder moverla donde la necesitamos sin necesidad de ningún equipo extravagante ni de fuentes de energía externas es una herramienta bastante buena para tener en la caja de herramientas. Gracias, y hazme saber lo que piensas!