Nuevos diseños de Bombas de Ariete

1 TENDENCIAS GENERALES

La bomba de ariete ya tiene una tecnología “madura”. Durante los últimos dos siglos, los diseños de las bombas se han estabilizado y se han probado muchas variaciones respecto a la configuración básica (de la tubería de transmisión, la bomba, la caseta de la bomba y de la tubería de suministro). Uno podría pensar que no es probable que haya más cambios significativos en la bomba de ariete o en el sistema en el que se utiliza. Sin embargo, se han producido cambios tanto en las necesidades de bombeo como en los materiales.

Antes de la invención de los motores de gasolina o de la llegada de la electricidad a las granjas, las bombas de ariete eran la única forma factible para elevar el agua de los arroyos o manantiales a las laderas vecinas. En consecuencia, se toleró un alto costo; se utilizaron bombas fuertes pero caras hechas de acero fundido y bronce. Hoy en día existen más alternativas, con lo cual el bombeo de agua mediante bombas de ariete “siguen teniendo su cota de mercado asegurada”, ya que con este tipo de bombas el suministro de agua para humanos y ganado se vuelve más barato y simple.

En todo el mundo el agua es cada vez más escasa y sucia. En consecuencia los sitios donde instalar un ariete, donde un flujo de agua limpia caiga abruptamente desde altura, cada vez son más difíciles de encontrar. A menudo el agua que se quiere utilizar con fines domésticos requiere de una limpieza o potabilización. Hay varias soluciones posibles para solventar este problema de flujo de agua contaminada. Una es filtrar el flujo de agua en la entrada. Otras es usar una bomba indirecta que permita la caída de agua sucia para impulsar la extracción de agua limpia de una fuente cercana. Por último en el peor de los casos, si no podemos filtrar ese agua, ese agua lo podemos utilizar para el riego, el ganado, y en todas aquellas aplicaciones donde la calidad del agua no sea tan importante.

El filtrado y la potabilización del agua son sumamente importanetes, y las opciones técnicas para llevarlo acabo aumentan cada día. Actualmente con un pequeño panel fotovoltaico, podemos esterilizar el agua químicamente o mediante una luz ultravioleta (actualmente hay luces LED que nos pueden esterilizar el agua) para un hogar o una pequeña aldea. Para agregar estos procesos de esterilización en un sistema de bombeo mediante una bomba de ariete, puede requerir varios ajustes en el diseño de la instalación, por ejemplo, un sistema que solo permita la entrega de agua mientras este funcionando la luz que potabiliza el agua.

El bombeo indirecto es una técnica que se conoce desde hace más de cien años. Las bombas indirectas todavía se fabrican, pero son complejas y, por lo tanto, costosas. Tienen mas piezas sensibles al desgaste que las bombas de ariete y requieren una fuente de agua limpia cerca del flujo de agua sucio, para poder impulsar el agua limpia. Uno podría argumentar que realizar una infraestructura tan elaborada en la instalación con su correspondiente mantenimiento es ir en una dirección equivocada. Pero la experiencia en el campo, lo que nos viene a demostrar es que la mayor limitación de está tecnología, esta en las personas que piensan que “esta tecnología es demasiado complicada”.

Según la experiencia de los autores de esté documento, principalmente en un contexto africano, incluso después de un curso de capacitación de 3 semanas, muchos técnicos de agua no tienen la confianza suficiente para inspeccionar, diseñar e instalar un sistema de bombeo mediante una bomba de ariete. Las reglas del diseño parecen complejas, y los técnicos temen cometer cualquier error que pueda ocasionar que un sistema falle. Sin embargo, los sistemas ocasionalmente fallan: por desgaste y corrosión, por un flujo insuficiente o por daños producidos por una inundación, bloqueo de la instalación por la sedimentación, por robo o un daño malicioso. No es posible construir un sistema perfecto.

Para bombear el agua con un motor diesel o de gasolina, en su forma más simple, el usuario lleva la bomba al sitio, coloca una manguera de succión en la fuente de agua, extiende la manguera de suministro y arranca la bomba. Con el bombeo eléctrico tiene que utiliza la red eléctrica o una placa fotovoltaica, para ello tiene que transportar la placa y las baterías, con lo cual el procedimiento es un poco más complejo. El bombeo mediante bomba de ariete es más complejo nuevamente. Por lo tanto, ha habido un creciente interés en simplificar la tecnología, especialmente para ser utilizado en sistemas de riego operados por campesinos.

2 BOMBAS MÁS SIMPLES

Una bomba normalmente se comprende una válvula de impulso (válvula de choque) ajustable, una válvula de suministro (con un antirretorno), un recipiente a presión (cámara de presión) para suavizar el flujo suministro pulsante y un sistema de anclaje. Cuando es el aire  libre (ya que el aire puede estar contenido dentro de pelotas de tenis o otros objetos) de la cámara de presión el medio que amortigua la presión que ejerce el suministro pulsante en el recipiente a presión (que debe ser vertical para funcionar correctamente), se necesita instalar una tercera válvula (“snifter”) para reponer este aire.

Los nuevos desarrollos de bombas de ariete con el fin de simplificar los diseños de las bombas de ariete hidráulico pueden tomar varias formas, pero en estos diseños principalmente lo que se pretende es lo siguiente:

– Quitar el mecanismo para ajustar el flujo de accionamiento.

– Reemplazar el aire libre de la cámara de presión por aire contenido.

– Simplificar el anclaje de la bomba y su fijación al tubo de impulsión y entrega.

Al eliminar el mecanismo de ajuste, por supuesto, se eliminan todos los beneficios del ajuste, se pierde la capacidad de ajustar la bomba para adaptar los golpes del ariete con el flujo de accionamiento disponible localmente. En algunas circunstancias, especialmente cuando solo se necesita una pequeña fracción del flujo de la corriente, no hay gran mérito en sintonizar los golpes del ariete. Cuando un fabricante produce una gama de bombas, es normal que cada incremento de tamaño corresponda a un aumento de dos o tres veces en el flujo de impulsión máximo. Una bomba que no esta ajustada al nunca nos dará su flujo de impulsión máximo (o “nominal”).

Por lo tanto, el uso de tales bombas individualmente restringirá el flujo de accionamiento y, por lo tanto, la entrega, a uno de los pocos valores ampliamente espaciados. Sin embargo, si se usan en paralelo varias (digamos tres) bombas idénticas, o dos bombas de diferente tamaño, generalmente es posible obtener dentro del 25% de cualquier flujo de impulsión ideal. De hecho, existen cuatro alternativas distintas para el ajuste en el sitio para adaptar las bombas al flujo disponible, dos de ellas aplicables cuando el sistema está instalado y dos cuando está en uso.

Durante la instalación, la capacidad de flujo de impulsión de un sistema se puede seleccionar aproximadamente seleccionando el número y el tamaño correctos de las bombas que se instalarán en paralelo. Alternativamente, se pueden instalar bombas que ya estén “preestablecidas” para un flujo de impulsión en particular. Este nivel más bajo de ajuste no solo simplifica el diseño de la bomba (por ejemplo, pueden fabricarse una bomba con dos o tres tipos diferentes de válvula de impulso), eliminando la posibilidad de que el usuario desajuste completamente su bomba. El mal funcionamiento por culpa de la ignorancia del operador es bastante común en los sistemas de alta tecnología, así como en las bombas de ariete más simples.

Cuando una bomba de ariete está funcionando, aveces puede ser necesario el hacer frente a una caída del flujo de agua disponible. Si las bombas no son ajustables, esto solo se puede hacer reduciendo el número de bombas en funcionamiento o haciéndolas funcionar de manera intermitente. Usando la disposición de “tres bombas del mismo tamaño” o “dos ​​bombas de diferentes tamaños” recomendadas anteriormente, por lo general suele ser posible hacer frente a los cambios en el flujo de la corriente del agua cambiando solamente el número de bombas en uso. La operación intermitente, generalmente se suele usar en instalaciones con una sola bomba, para poder trabajar así es recomendable disponer de un depósito capaz de almacenar al menos 2 horas de flujo de impulsión. En la práctica, la operación intermitente, donde el usuario enciende la bomba cuando el depósito está lleno y se apaga cuando está vacío, es muy rara. Está práctica Suele ser más común en pequeñas granjas o en algunas aplicación de bombeo o drenaje de agua. Técnicamente, también  es posible el utilizar un sifón autocebante para lograr una operación intermitente sin intervención humana: pero resulta muy difícil el encontrar un ejemplo, debido a la complejidad de la instalación.

Dada la conveniencia de tener más de una bomba funcionando en paralelo por razones de fiabilidad, la dificultad relativa que requiere tener todas las bombas correctamente sintonizadas y ajustadas al flujo de impulsión del sistema y al flujo de la corriente (a menudo extremadamente variable) y a todo esto le tenemos que añadir la probabilidad de un mal funcionamiento producido por el manejo de operadores inexpertos, al final en muchas instalaciones para evitar estos problemas, optan por instalar bombas más simples que no se pueden ajustar o que están sintonizadas (“preestablecidas”) ya de fábrica.

El uso del aire contenido para amortiguar las pulsaciones en el flujo de entrega tiene una gran ventajas respecto al uso de un recipiente de aire convencional. Por aire contenido o paquete de aire»

 nos referimos al aire en una vejiga, espuma con celdas de aire selladas. Los vasos de expansión comerciales que se instalan en los circuitos ACS o calefacción que se instalan para evitar el aumento de la presión, contienen un diafragma para separar el aire del agua, sin embargo, tales diafragmas son difíciles de fabricar y sellar y, por lo tanto, son caros. Por el contrario, la espuma con celdas de aíre selladas, o como el plástico de burbujas, ya se ha utilizado con éxito en varias bombas de ariete de pequeño tamaño. Las ventajas de sustituir los paquetes de aire por el aire libre de un recipiente a presión convencional son varias. La cámara de presión ya no necesita ser vertical, el aire no puede perderse a través de pequeños agujeros en las soldaduras o accesorios, la válvula de aspiración ya no es necesaria, la bomba puede funcionar bajo el agua. Las desventajas son la posible falla por fatiga de los materiales que contienen aire, la pérdida lenta de aire a través de las paredes de las vejigas o la espuma y la reducción significativa del volumen de aire en el arranque.

Considere un recipiente de aire convencional de un volumen 10 litros en una bomba de ariete que entrega hasta 90 metros. Inicialmente, antes del arranque, el aire está a una presión atmosférica (1 bar). En el momento del arranque, la presión absoluta aumenta rápidamente a 10 bar a medida que el aire se calienta y comprime. Luego se enfría ya que su volumen pasa a ser aproximadamente de un1 litro, es decir, una décima parte de su valor inicial: el recipiente de aire ahora está casi lleno de agua. Durante el funcionamiento a lo largo de un período de varias horas, el aire se repone a través de la válvula de aspiración a su volumen original de 10 litros. La bomba funcionara bastante ruidosamente hasta que esto tenga lugar.

Sin embargo, si remplazamos al aire libre por un un paquete de aire cerrado, no existirá un mecanismo de reabastecimiento, por lo tanto, durante todo el tiempo de ejecución el volumen siempre permanecerá en 1 litro. Por lo tanto, es necesario proporcionar un paquete de aire cuyo volumen inicial sea igual a:

Vinit = volumen de aire requerido en funcionamiento

(Vop) × presión de suministro en bares absolutos.

(Tenga en cuenta que la altura de entrega de 10 metros corresponde a 2 barras absolutos, 20 metros a 3 barres, etc.)

Investigaciones y experimentos recientes sugieren que el volumen de aire en funcionamiento (Vop) puede ser de forma segura tan pequeño como el doble del volumen de agua suministrada en cada ciclo. [La eficiencia de la bomba no disminuye significativamente en comparación a cuando Vop es grande, y la sobrepresión de aproximadamente del 30% también suele ser tolerable desde el punto de vista de la fatiga.] Una bomba de riego solo puede elevarse a 20 metros, por lo que el volumen de aire inicial de Vinit, es solo 3 veces Vop, mientras que una bomba de ariete domestica puede elevar el agua a 80 metros (Vinit = 9 veces Vop) o más. Por lo tanto, esperaríamos que este problema de compresión de aire sea más severo en las bombas de gran elevación. Sin embargo, a medida que aumenta el cabezal de entrega (mientras el cabezal de impulsión y el flujo de impulsión se mantienen constantes), el volumen suministrado por ciclo disminuye. La combinación de estos efectos significa que para un tamaño de bomba dado, el tamaño inicial apropiado del paquete de aire no varía mucho con el cabezal de entrega. En términos prácticos, el tamaño mínimo inicial del paquete se relaciona aproximadamente con el tamaño de la bomba como se muestra en la Tabla 1.

Esta tabla indica un volumen inicial de paquete de aire y, por lo tanto, el tamaño del recipiente, equivalente a 1 m de tubería de impulsión (o menos longitud de un diámetro mayor) debería ser suficiente: este es un tamaño tolerable.

Con un paquete de aire, el diseño de la bomba se puede simplificar esencialmente a una válvula de impulso seguida de un tubo horizontal que encierra el paquete ingresado a través de la válvula de suministro de retención. Esto da como resultado un diseño de bomba bastante compacto que se puede colocar debajo del agua para maximizar el cabezal de accionamiento y reducir el ruido. Aunque existen algunos problemas particulares que pueden surgir al operar bajo el agua, por ejemplo, succionar suciedad a través de la válvula de impulso, una mayor vulnerabilidad a los daños por inundación y la dificultad de acceso para la sintonización, para otras cosas muchas las ventajas que presenta mucho mayores que las desventajas.

A medida que los materiales mejoren, empezaremos a ver cada vez más bombas de ariete que incorporen celdas de aire o incluso un diafragma en lugar de las celdas de aire tradicionales.

En las instalaciones de regadío donde las bombas y las tuberías se tienen que desmontar cada noche, o al final de la estación seca,  requieren de bombas muy simples y sin accesorios que puedan molestar durante la manipulación.

La fuerza de choque o los golpes de ariete producido por las bombas cuando están en uso son grandes, por lo que los anclajes deben de ser fuertes y resistente. Cada vez es más habitual el encontrarse con bombas de ariete donde parte de su estructura se encuentra dentro de un bloque de hormigón, o atornilladas a una cuna permanente (es decir, hormigonada).

3 NUEVOS MATERIALES, MENOS COSTOSOS Y DE MAYOR RENDIMIENTO

Para conseguir una bomba de ariete los mátete ríales de larga duración como pueden ser el hierro o el latón son los más adecuados, pero en los últimos años con la irrupción nuevos materiales como el PVC en el mercado, estos materiales han ido encontrado su lugar particularmente en las bombas de ariete baratas de un rendimiento modesto pero adecuado. Durante los últimos veinte años, las tuberías metálicas han sido reemplazadas en gran medida por el plástico, especialmente PVC, ABS y HDPE. 

Por lo tanto resulta muy tentador el utilizar estos materiales resistentes a la corrosión y fáciles de trabajar para construir el cuerpo de una bomba de ariete. Desafortunadamente, la baja rigidez, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la luz solar de los plásticos plantea muchos problemas.

El efecto conocido como golpe de ariete que subyace detrás del funcionamiento de la bomba de ariete se disipa en materiales muy elásticos, o peor, estos absorben su energía. Por esta razón, tratamos de evitar la acumulación de aire en las tuberías de transmisión y buscamos un alto nivel de rigidez en las paredes. La altura máxima a la que puede llegar una bomba de ariete es aproximadamente hmax = ν Cdp / g. Donde ν es la velocidad máxima del agua en la tubería de accionamiento y Cdp es la velocidad del sonido en esa agua. Se puede demostrar que para una tubería infinitamente rígida, Cdp / g es de aproximadamente 140 metros de altura por metro / segundo, en una tubería de acero es típicamente de 120 pero en una tubería de plástico es solo de aproximadamente 30.

[La fórmula utilizada normalmente es:  

Donde C es la velocidad del sonido en el agua, D y t son el diámetro y el grosor de la tubería de plástico, G la rigidez del agua y E la rigidez del plástico.]

Este efecto se demuestra cuando comparamos dos bombas de ariete similares, una fabricada en PVC y la otra en acero, tras analizar los resultados veremos que la primera sólo nos entrega aproximadamente el 30% de la altura respecto a la bomba de ariete fabricada íntegramente en acero. 

Para entregas el agua a alturas realmente alta, es imprescindible que el tubo de accionamiento sea de acero. En cambio para entregar el agua a una altura inferior a 50 metros, podemos utilizar un tubo de accionamiento de plástico sin problemas.

Todos los materiales muestran fatiga en el sentido de que, un material pueda tolerar una carga fácilmente si se aplica solo unas pocas veces, pero si se aplica millones de veces puede acabar fallando. Un sistema de bombeo  compuesto por una bomba de ariete, provocan que la bomba y las tuberías de transmisión estén experimentan entre 15 y 100 millones de pulsos de presión por año, por lo que la falla por fatiga es un peligro real. Para utilizar tuberías de plástico, generalmente suele ser suficiente con seleccionar una tubería de una presión nominal 3 veces superior a la presión de suministro. Debido a que el fallo por fatiga es tan probable en las bombas de PVC, estas se suelen reforzar con partes metálicas o con fibra de vidrio.

Los plásticos moldeados por inyección que se utilizan en bombas centrífugas y bombas manuales, también podrían usarse para fabricar bombas de ariete, pero debido a los costes tan altos de la producción actualmente no sale a cuenta. Incluso se han hecho pruebas con cuerpos de hormigón obteniendo buenos resultados, el material es barato, aunque pesado, pero los problemas de obtener densidades realmente altas y de sellar las juntas entre las secciones de concreto aparentemente han derrotado a los diseñadores de bombas de concreto.

Las bombas de ariete fabricadas de plástico (bombas de pequeñas dimensiones o para elevar el agua a baja altura), ya ha encontrado su hueco en el mercado junto con las fabricadas de metal para elevaciones más altas.

Parece poco probable que pronto se empleen materiales o procesos más complejos para fabricar estos dispositivos.

Actualmente la forma de reducir los costes de la fabricación de las bombas de ariete pasa por la utilización de menos materiales, más baratos o más simples, de la producción en masa y de las simplificación de los diseños. Actualmente la comprensión de las bombas de ariete es mejor que en el pasado y gracias a los cambios y modificaciones que se han realizado respecto al diseño inicial se a logrado una mayor eficiencia de las bombas de ariete y una reducción significativa de los coste de producción.

La producción en masa de las bombas de ariete está limitado por un mercado con una demanda muy pequeña. Los intentos de ensamblar las bombas de ariete a partir de accesorios producidos en masa generalmente no han logrado un alto rendimiento, ni una bajada de los costes deproducción. Los accesorios no son nada baratos y los costes de producción si suben mucho sis se utiliza un gran número de accesorios para fabricar la bomba de ariete. Es más, bombas hechas con accesorios de fontanería generalmente son torpes y tienen demasiadas piezas.

Actualmente para la fabricación de bombas de ariete de acero, la disponibilidad de tubos de sección cuadrada ha supuesto una simplificación del diseño y montaje en comparación con los tubos redondos que tradicionalmente se venían utilizando. Los tubos cuadrados no son eficientes para contener altas presiones, pero esto normalmente no es un problema. Lo más adecuado es fabricar las bombas de ariete con piezas de fundición, pero esto no es posible en muchos países, por eso en algunos países las producen mediante mecanizado, forjado o conectores roscados. Las juntas y piezas soldadas se pueden abrir nuevamente si es necesario cortándolas con una amoladora para realizar tantas reparaciones y modificaciones como sean necesarias. 

Probablemente la mayor necesidad de reducción de costos se encuentra en las aplicaciones de riego. Si se pudiera desarrollar una tubería que actúe como un sifón, los costos de instalación de las bombas de riego podrían reducirse sustancialmente. Actualmente se está realizando esfuerzo para diseñar sistemas portátiles que puedan trabajar con presas de tan solo 500 milímetros, donde la bomba y su tubería de transmisión se puedan desconectar rápidamente del anclaje y la presa..

El alto rendimiento de una bomba de ariete, toma varias formas, como mayor eficiencia, mayor altura de entrega, operación más silenciosa y mayor durabilidad. Parece que en el pasado se usó poca teoría cuando se diseñaban las bombas o todo el sistemas completo. Hoy en día, las bombas de ariete siguen fascinando a los ingenieros, por lo que hay varias publicaciones que ayudan en el diseño de bombas de ariete de alto rendimiento. Por ejemplo, las principales fuentes de ineficiencia están bien documentadas y no es difícil diseñar un sistema económico con una eficiencia del 70%.

En Nepal, los Andes, Ruanda y en otros lugares, existe la necesidad de bombas de ariete que eleven el agua hasta 200 metros, mucho más allá del límite de las máquinas normales. Se conocen los procedimientos y materiales para lograr altísimas alturas, pero hasta ahora el mercado para tales bombas ha sido demasiado pequeño para cubrir los costos de desarrollarlas por completo. DCS, Butwal en el Himalaya han alcanzado una elevación de 180 metros con cierta fiabilidad.

La operación silenciosa se ha logrado tradicionalmente colocando bombas y conductos subterráneos. Durante años, algunas bombas (por ejemplo, las máquinas de Blake) han utilizado válvulas de impulso de goma en sistemas metálicos para reducir el ruido. La utilización de tuberías de impulsión de plástico puede reducir un poco la eficiencia, pero “se reduce el ruido” de los golpes.

Solo en el área de durabilidad no se puede encontrar una mejora significativa. Quizás la vida útil de las bombas baratas ha aumentado un poco desde su nivel bajo anterior, pero todavía está muy por debajo de lo que se puede lograr con las máquinas tradicionales “sobre-diseñadas”.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *