06 agosto 2009

Energía y Agua II

Historia de un invento fascinante

(Es preferible leer primero el siguiente artículo y después continuar con este)

En el año 1796, el inventor francés Joseph Michel Montgolfier, que posteriormente se hizo famoso por el globo aerostático que construyó, experimentaba con el agua que fluía rápidamente por los tubos. Descubrió la fuerza de propulsión del agua al cerrar rápidamente un grifo en el extremo inferior de un tubo. Esta importante energía de choque que se producía con cada cierre del grifo debía poder ser aprovechada por el hombre, pensó Montgolfier.

Junto con su hermano, dirigía por aquel entonces la fábrica de papel que había comprado su padre en Annonay, en el distrito montañoso y de aguas abundantes de Ardèche. Tras algunos intentos fallidos, consiguió dar con los requisitos básicos para el diseño y la construcción de un ariete hidráulico.

En un tiempo en que la gasolina sólo se encontraba en pequeñas botellas en la botica, en que todavía faltaba mucho tiempo para que hubiera corriente eléctrica y la torpe máquina de vapor acababa de aprender a marchar, Montgolfier podía ofrecer un dispositivo que permitía bombear agua a la superficie sin necesidad de ninguna energía externa. Esto significaba que los pueblos y aldeas aislados, que hasta entonces habían tenido que procurarse el agua con cubos o coches cisterna, por primera vez, con un esfuerzo considerablemente inferior, podrían abastecerse de agua potable.

Como se documenta en las memorias de patente correspondientes, el ariete hidráulico se continuó mejorando durante las décadas siguientes. Pero la práctica demostró, a pesar de todas las mejoras, que la construcción de arietes se veía afectada por muchas incógnitas. El comportamiento de largos de tubo a las secciones de tubo, el comportamiento del desplazamiento volumétrico del agua en relación con la cantidad de agua, los caudales fluctuantes de las fuentes, la configuración de las válvulas, el emparejamiento de materiales, la fricción interna del agua y muchos otros aspectos debían reconsiderarse para cada instalación, fundamentalmente a partir de valores empíricos.

Fue sólo durante el siglo pasado cuando se constató de forma correcta su principio de funcionamiento. Entonces fue cuando se demostró que el ariete es un dispositivo muy complejo que sólo puede funcionar a alto rendimiento tras un ajuste preciso de sus componentes. En este sentido fue significativa la aportación del ingeniero Heerlein de la empresa Firma Pfister & Langhanss, quien hizo de los problemas del ariete hidráulico el objetivo de su vida y en su trabajo sistemático durante décadas exploró las regularidades y estableció principios de construcción.

Desde siempre, el hombre ha bebido el agua de manantial de su entorno.

Ha sido en las últimas décadas cuando hemos convertido en no potables la mayoría de las fuentes.

Con el argumento de las más simples inspecciones de calidad, el suministro de agua centralizado en las poblaciones ha desplazado al ariete. Así es como el ariete desapareció de nuestra memoria de forma alarmantemente rápida.

El principio funcional de un ariete

¿Cómo funciona en realidad un ariete?

El ariete hidráulico fue patentado en 1796, por Joseph Montgolfier (1749-1810), consiste en una máquina que aprovecha únicamente la energía de un pequeño salto de agua para elevar parte de su caudal a una altura superior. A partir de su invención, el ariete hidráulico tuvo una amplia difusión por todo el mundo. Baste decir, a modo de ejemplo, que estuvo presente en las famosas fuentes del Taj Mahal en la India, o en el Ameer de Afganistán. Con el tiempo cayó en desuso, sobre todo debido al avance arrollador de la bomba centrífuga.

En la actualidad asistimos a un renacer del interés acerca de este aparato, debido a que es tecnológicamente accesible, eficiente, ecológico y muy didáctico.

Funcionamiento:

El agua se acelera a lo largo del tubo de alimentación hasta alcanzar una velocidad suficiente como para que se cierre la válvula (A). Entonces se crea una fuerte presión, al detenerse el agua bruscamente. Este golpe de presión abre la válvula (B) y hace pasar un pequeño chorro de agua al depósito (C), hasta que se equilibran las presiones. En ese momento, la gravedad abre la válvula (A) y se cierra la (B), repitiéndose de nuevo el ciclo. El agua, a cada golpe de aire hace fluir el agua, con continuidad, por la manguera de elevación. El ritmo de golpes por segundo suele ser de uno o dos.

Los fontaneros conocen muy bien el golpe de ariete; cuando se cierra bruscamente un circuito abierto de agua, toda la tubería se estremece y los manómetros enloquecen. A menudo se producen roturas por esta causa. El ariete hidráulico es una máquina que provoca continuos cierres bruscos de un circuito con agua en aceleración y que aprovecha las sobrepresiones para mandar parte del caudal a una gran altura.

En las figuras 2 y 3 se pueden observar los dos momentos del golpe de ariete.

Rendimiento (R)

El rendimiento del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, y varía en función del cociente H/h (Altura desde del ariete hasta el depósito final/Altura desde arite a depósito inicial). Al aumentar el valor resultante, el rendimiento disminuye. En la tabla siguiente puede verse cómo varía el rendimiento energético:

El rendimiento R viene referido a 1. Para referirlo a %, lo multiplicamos por 100 (así un rendimiento de 0,85, representa un excelente rendimiento de un 85%)

Como puede deducirse de la tabla anterior, a partir de 12 veces la altura (h), el rendimiento de los arietes disminuye en gran medida. Este detalle no nos ha de desalentar. Aunque sólo subamos a gran altura un 1% del agua que pasa por nuestro ariete, este funciona las 8.760 horas del año, ¡y sin combustible! (aunque sí hay un gasto energético)

El caudal elevado (q)

Depende del rendimiento (R), el caudal de alimentación (Q), el desnivel de trabajo (h) y la altura de elevación (H). La ecuación por la que se relacionan es

la siguiente:

q=R·Q·h/H


Por ejemplo:

Q (Caudal de alimentación) = 100 litros/minuto

h (desnivel de trabajo) = 3 metros

H (Altura de elevación) = 24 metros

La relación H/h = 8, luego el rendimiento del ariete en estas condiciones equivale al 57% (0’57).

El caudal elevado q = 0,57 · 100 · 3 / 24 = 7,125 litros/minuto = 10260 l/día.

La capacidad de elevación teórica de un ariete sigue la ecuación:

q*h = Q*H

donde inicialmente no se tienen en cuenta las pérdidas internas.

El caudal de alimentación (Q)

El ángulo de inclinación del tubo de alimentación (α) debe estar entre los 10º y los 45º con respecto a la horizontal. El caudal de alimentación del ariete dependerá del diámetro de dicho tubo de acometida.

Hay que tener en cuenta que el agua que se acelera en el tubo de alimentación, es la que provoca el “golpe de ariete”, por lo que este ha de tener una longitud, inclinación y diámetro adecuados, sin curvas ni estrechamientos que provoquen pérdidas de carga por rozamiento.

La energía cinética y con ella la capacidad de bombeo depende de la altura de caída y la cantidad de agua en el conducto de impulsión.

Estos golpes de agua se producen a menudo de forma involuntaria en las tuberías. A veces pueden oírse estos golpes en la instalación de agua de una casa, cuando se cierra, por ejemplo, la válvula magnética de la lavadora o el lavavajillas, o el pulsador del váter. También en estos casos hay una columna de agua en movimiento dentro de un tubo y se detiene de forma súbita.

Cuanto mayor es la cantidad de agua que fluye en el conducto de impulsión, más abrupto resulta la interrupción y mayor es la energía choque.

Video Explicativo:

Por tanto el golpe de ariete parece una maravilla energética.. y lo es en el caso de elevadores de agua.

Pero no siempre es así. En otros aspectos tecnológicos, debe evitarse absolutamente el golpe de ariete, como por ejemplo en los motores de coches (seguro que esto le ha producido a Nabil más de un quebradero de cabeza... jeje.

Concluyendo:

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


Material destruido por un "golpe de ariete"

El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (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 fluido 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 fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido 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 fluido 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 fluido 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 fluido y a la dilatación de la tubería. Entonces es muy posible que pase.

Sardón de Duero, Agosto 2009

Ismael.

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