Desarrollar un modelo funcional de bomba de agua tipo espiral que aprovecha la energía hídrica

1. INTRODUCCIÓN

La mayor parte de la demanda energética actual se satisface utilizando combustible de origen fósil, debido principalmente a que son fáciles de conseguir y relativamente accesibles para el bolsillo de un ciudadano común; Por otro lado se sabe que este tipo de recursos son no renovables (Grabiel Rodrigo, 2006) y además son nocivos pues sus desechos alteran los sistemas naturales, esto hace que sea necesario presentar soluciones alternativas que puedan suplir dichas necesidades. Como sabemos los medios más sofisticados y eficientes empleados para el bombeo de agua utilizan combustibles fósiles como fuente energética, además tienen costos muy elevados que impiden que las comunidades que los necesitan para proveerse de agua los adquieran con mucha dificultad, de modo que se ven  obligados  a hacer el acarreo del agua de forma manual, lo que disminuye su calidad de vida.

Por lo tanto se ve como una solución favorable el empleo de una bomba de tipo espiral, ya que son económicas en comparación con sus homónimas motorizadas y de fácil fabricación, además la ventaja más representativa es que utiliza la energía hidráulica que proporciona el mismo  rio donde se  instalan sin interrumpir los ciclos naturales del ecosistema (Camacho Omar, Torresducon Edgar, 2010).

1. OBJETIVO

Desarrollar un modelo funcional de bomba de agua tipo espiral que aprovecha la energía hídrica.

1. ANTESEDENTES

A lo largo de la historia el ser humano ha empleado la energía potencial que poseen las fuentes hídricas al descender, como es el caso de los molinos de agua. Esta energía también se ha aprovechado para operar sistemas de bombeo, desde épocas tempranas de la historia del hombre como es el caso de Arquímedes que diseño su famosa bomba de caracol un dispositivo sencillo pero útil. Posteriormente se diseñó otro aparato defunciones similares denominado bomba de ruedas de cuchara que funcionaba para elevar el agua hasta la altura de su propio eje. Por ultimo en 1748 Andrew Wirtz describió una idea simple de bomba, que partía de una tubería enrollada en forma de espiral sujeta a un eje giratorio y que era capaz de llevar al agua un nivel más alto al de la fuente (Machuca Eduardo, Sanmiguel Juan, 2012).

1. MARCO TEORICO

El principio fundamental que emplea la bomba es el mismo de un manómetro en U, cada vuelta que da la manguera funciona como uno; de modo que en el espiral de manguera se forma un manómetro tipo U en serie, de esta manera los diferenciales de presión de cada vuelta se suman proporcionándole al fluido una cabeza de presión neta positiva, dicha presión depende del número de vueltas que se le den a la manguera figura 1. (Camacho Omar, Torresducon Edgar, 2010).

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Figura 1. Manómetro en serie. Tomado de Evaluación del ariete hidráulico y la bomba de rueda como componentes del sistema de bombeo con energía alternativa.

La diferencia entre la presión absoluta HT y la presión atmosférica HA es igual a la suma de h1+h2+...+hN y suponiendo que el aire es incompresible tenemos que h1=h2=…=hN. (Camacho Omar, Torresducon Edgar, 2010).

A medida que la bomba gira se carga de agua y de aire, esto hace que el flujo en la manguera no sea constante y además se forman paquetes de aire en el interior de la bomba que se expanden y se contraen debido a la variación de presión de la entrada y la salida, el volumen de aire que ingresa depende del diámetro de la manguera y de la porción de rueda que se encuentra sumergida. (Camacho Omar, Torresducon Edgar, 2010).         

Por otra parte como cada porción de aire se encuentra limitado por paquetes de agua, el aire se comprime aumentando la presión provocando que la altura de la columna de agua se incremente proporcionalmente al número de vueltas que se le haya dado a la manguera y haciendo funcionar la bomba. (Camacho Omar, Torresducon Edgar, 2010). Cuando dicha columna de agua alcanza un máximo ocurre un derramamiento de agua a la vuelta anterior de la espiral, esto es denominado derrame hacia atrás (Machuca Eduardo, Sanmiguel Juan, 2012).

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Figura 2. Nivel de agua donde el agua se derrama. Tomado de Rediseño del sistema de bombeo con energía no convencional. (Machuca Eduardo, Sanmiguel Juan, 2012).

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Figura 3. Nivel de agua donde no hay derramamiento. Tomado de Rediseño del sistema de bombeo con energía no convencional. (Machuca Eduardo, Sanmiguel Juan, 2012).

Para calcular el nivel del agua en las espiras se utiliza la siguiente ecuación:

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Ecuación 1. Nivel del agua hn en cada vuelta n. (Machuca Eduardo, Sanmiguel Juan, 2012).

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