El ariete hidráulico.

 Inspirado en el librito de Peter Weinmann¹

Hace más de 20 años que me interese por el ariete hidráulico, tengo que reconocer que fue como consecuencia de leer el libro de “Ingenios solares” de José Manuel Jimenez “Super”. Vivíamos en una finca con una fuente de agua buenísima Por eso cuando leí el libro de Peter Weinmann, rápidamente me identifique con la situación que comenta, al decir que “sin duda habrá comprado este librillo por una buena razón. Tal vez se encuentre en la misma situación que yo hace unos años”.

Había instalado un tanque en mi jardín para los gansos. Al cabo de pocos días constaté, bastante sorprendido, que el agua de las alegres bestias se había convertido en un mar de fango. Tras una semana, sustituí el contenido del estanque por agua fresca del grifo. Como él tenía un corral con ovejas, cabras, gallinas, etc ...

Así es como empezó mi búsqueda de soluciones que no estuviesen condicionados en la medida de lo posible por la economía y que fuese ecológica

En el año 2007, se me encarga por el Ayuntamiento de Novelda, el buscar una formula de ahorro en un gran parque para no gastar dinero en las bombas que llevaban el agua a una altura que permitía generar cascadas. Recordé entonces lo que había hecho años atrás en la montaña, el ariete hidráulico

La idea era buena, el fallo fue que el Ayuntamiento quería aprovechar unas subvenciones y para cobrarlas tenia que hacerse con productos homologados y ¡ho! Casualidad, En Europa el Ariete no está homologado.

Busque a Peter Weinmann, para ver en que quedaba lo que contaba en su libro y me dijo que si, que la fabrica de Holanda la cerro en el 2007 y que donde podía encontrar fabricantes y según me dijo muy buenos en América y Asia. Está claro que por motivos del idioma , busque los fabricantes de hispanoamerica. Realmente baratos. El problema seguía siendo que aunque la solución propuesta podía serle barata, Habría que asegurarse de que el material era bueno y adecuado, convencer a los técnico y políticos lo mas importante el dinero por adelantado para comprar los arietes en México o Bolivia, (Ver catálogos adjuntos), que se necesitaban, pues si bien el principio de funcionamiento parece simple, algunos detalles son complicados, especialmente la adaptación de los distintos componentes entre sí. En ello radicaba la garantía de la fabricación del ariete. Misión imposible.

El tema como a Peter Weinmann Pasó más de medio año hasta que, tras muchas consultas infructuosas entre mi círculo de amistades y especialistas en el tema hidráulico, por fin tuve éxito. Existía realmente un ariete fabricado como pequeño accesorio de la marca Pfister & Langhanss, una gran empresa comercial de sanitarios de Nuremberg. La empresa tenía una única fábrica y un afable señor mayor que de buena gana me lo aclaró todo.

El señor Popp, con quien mantengo hoy un trato amigable, me explicó rápidamente que una construcción propia de un ariete sin conocimientos precisos no podría prosperar.

De todos modos, la genial idea de poder bombear agua hacia arriba sin ningún otro suministro de corriente me parece atractiva como recurso Sustentable.

Aclarando que ya no tenemos una fabrica en Europa, Tal vez valga la pena recuperar, los consejos del libro de Peter Weinmann. Seguimos con lo que nos cuenta

Para familiarizarse de forma rápida y práctica con los arietes hidráulicos y su utilización, he narrado mis experiencias y, en particular, los conocimientos que he reunido de un gran número de fuentes en todo este tiempo. Espero haberlos transmitido de forma simple y entendible.

Ideas entorno al agua

El agua es el elixir de la vida en el medio de los hombres y los animales. Es por eso que debo añadir aquí un par de comentarios personales sobre este costoso elemento.

Sobre sus cualidades se ha escrito ya mucho, aunque para mí continúa siendo demasiado poco. Porque repetidamente constato la sorpresa de la gente cuando hago referencia al agua.

Sin agua no se habría originado la vida en nuestro planeta. Conocemos el agua en tres apariencias, que los físicos denominan también estados físicos: sólida en forma de hielo, líquida como el agua en su sentido propio y gaseosa en forma de vapor. Cuando hablamos del agua, generalmente nos referimos al estado líquido.

Cantidades inconmensurables de agua están almacenadas en los glaciares y los polos de la Tierra en forma de hielo. Asimismo, existen permanentemente grandes cantidades de agua en forma de vapor en las nubes. Si el agua desapareciera o fuera inservible debido a una carga contaminante demasiado alta para su funcionamiento biológico, sería también el fin, como mínimo de la forma de vida más evolucionada. Debemos recordarnos siempre que el agua en la forma en que nos sirve a nosotros (líquida) sólo existe en un rango relativamente pequeño de temperaturas, concretamente entre 0 y 100 grados centígrados. Reacciona al calor y al frío de forma excepcional mente sensible. Además, es necesaria una presión atmosférica dominante sobre la Tierra. Si falta una sola de estas condiciones, el agua no existe en forma líquida. En ellas se incluye también su peculiaridad de seguir siempre la fuerza de la gravedad hasta llegar al lugar más profundo. El agua en la forma familiar para nosotros, es decir, líquida, siempre existe de forma transitoria. Se evapora de forma continua, incluso a temperatura ambiente normal. Para ello, el agua necesita calor, que obtiene de su entorno más próximo. La percibimos entonces como frescor, cuando por ejemplo nos mojamos la piel.

Cuando hacemos evaporar agua con aporte de energía, empieza a bailar y borbotar. Esto ocurre por cierto también a temperatura ambiente, con sólo disminuir la presión atmosférica. Por tanto, en las montañas altas al hervir huevos se debe tener en cuenta que allí el agua hierve por debajo de los 100°C.

El enorme coeficiente de expansión de volumen entre agua en forma líquida y vapor se utiliza para propulsar máquinas. Todos pensamos en la máquina de vapor y la locomotora. Cada central eléctrica utiliza este potente y enérgico aumento de volumen en la transformación de estado líquido a estado gaseoso. También las centrales eléctricas de gas, petróleo o carbón, incluso la más moderna central nuclear, hace vapor con agua y lo utiliza para propulsar una turbina de vapor. El vapor se condensa, con lo que vuelve a ser agua, que volverá a evaporarse.

¿Tiene claro, estimado lector, que un determinado volumen de agua puede almacenar un 20 % más de calor que la misma cantidad de hielo? A pesar de que el hielo tiene una densidad considerablemente mayor (7,8 veces más pesado que el agua). Esto significa que, en relación con un mismo peso, el agua puede capturar una cantidad de calor hasta 10 veces superior.

A 37,5 °C es donde el agua tiene una mayor capacidad calorífica. Por tanto, no es accidental que la temperatura del cuerpo del hombre equivalga a este preciso valor. Este es uno de los motivos por que nuestro cuerpo contiene tanta agua. Con el paso de los años disminuye su contenido en agua y con ello por desgracia también su capacidad de compensación de la temperatura.

La naturaleza nos demuestra así a utilizar el agua como acumulador de calor, lo que imitan los ingenieros de calefacción; en este caso especialmente los especialistas en técnica solar.

¿Sabía que el agua es el único líquido que tiene un punto de anomalía (4°)?

A 4 °C tiene su mayor densidad. Es por ello que en los estanques baja a la tierra. El resto del agua, como el hielo, son más ligeros y se quedan por tanto en capas sobre la tierra. Esta circunstancia permite a los peces sobrevivir a las heladas. El hielo tiene una densidad inferior, con lo que es más ligero que el agua y flota.

¿Sabía que por ese motivo el agua que penetra en las grietas de las rocas ha hecho estallar repetidamente las rocas formando, tras miles de años, el humus que constituye ahora el suelo fértil para las plantas terrestres? Eso fue lo que hizo posible en la historia de la Tierra una vida ulterior en tierra firme.

Desde un punto de vista químico, el agua es el óxido del hidrógeno y una molécula se origina de la fusión (unión por fundición) de dos átomos de hidrógeno con un átomo de oxígeno. La abreviatura es H2O.

También desde un punto de vista técnico, el agua establece récords. El agua pura tiene, por ejemplo, la mayor constante dieléctrica en comparación con otros líquidos. Esto significa que el agua es el mejor aislante eléctrico entre los líquidos. Estas afirmaciones seguramente hacen que se pregunte por qué el agua en combinación con aparatos eléctricos es causa de peligro de muerte. Debemos saber al respecto que el agua en estado puro no existe en la naturaleza. En las aguas que podemos beber y están a nuestro alcance hay siempre sales y minerales disueltos. Eso es lo que crea la conductividad eléctrica, y el peligro de electrocución aumenta con la humedad.

En ese sentido, el agua es, de entre todas las materias de la Tierra, la que tiene más récords, por sus numerosas cualidades.

La falta de agua causa en nuestros cuerpos perjuicios para nuestra salud en sólo tres días. Al cabo de 14 días, una absoluta falta de agua es mortal.

Necesitamos agua para todas nuestras necesidades de limpieza. Nos lavamos y limpiamos nuestros objetos con agua. Nos bautizamos con agua. Con agua ponemos término al fuego. Con agua preparamos nuestras comidas.

Es la bebida más simple e importante y constituye la base para todas las demás bebidas.

El agua puede hacer trabajo, transportar barcos. El agua puede arrastrarnos y aniquilarnos con una fuerza atroz, pero al mismo tiempo es muy delicada.

¡Observen, estimadas lectoras y lectores, mi entusiasmo por el agua! Por eso les pido que, cuando vuelvan a tomar un trago de agua u observen un arroyuelo limpio y juguetón con su gorgoteo, piensen en las muchas cualidades que tiene el agua y en su importancia vital. Disfruten del contacto con el agua limpia. Sientan, con cada trago de agua, como entra en ustedes la auténtica pureza.

Protejan y respeten el agua, trátenla con delicadeza. Por favor, no infrinjan nunca daños irreparables al agua.

Los conocimientos entorno al significado del agua son muy antiguos. Muy pronto se le atribuyeron poderes mágicos y curativos. El hombre creía en la existencia de espíritus de las fuentes que hacían salir el agua de la tierra. Quienes envenenaban los pozos eran castigados con la muerte. En sentido figurado, el recuerdo de incidentes de este tipo hoy en día sigue siendo una terrible figura retórica a la que estamos acostumbrados.

Dos terceras partes de nuestra Tierra están cubiertas de agua. De ellas, podemos disponer de sólo un 3 % como agua dulce potable.

En un ciclo siempre perdurable, este agua se evapora, sube hacia arriba, es transportada por los vientos en forma de nubes y cae como lluvia nuevamente sobre la tierra.

lustr. 01

Circulación del agua

Gracias a esta circulación eterna, el agua se mantiene siempre limpia y enriquecida con minerales; sólo cuando está "madura“ aparece en la superficie terrestre en forma de fuentes. Este agua de manantial es apta para el abastecimiento de los seres vivos de la Tierra y es inigualable en cuanto a calidad. Cuando hoy en día perforamos pozos profundos porque hemos contaminado las fuentes, extraemos agua muerta, excluyéndola del ciclo descrito. Este agua no es potable en toda regla y es preciso tratarla primero técnicamente. Luego es posible calcular también cuándo estas aguas producirán una saturación de contaminantes en los estratos de la Tierra y volverá a surgir el problema.

El agua disuelve muchas materias. Esto ha llevado a los especialistas en agua a pensar que era posible neutralizar la contaminación del agua con la adición de sustancias químicas en lugar de proteger los manantiales. A mi entender, todas estas "reparaciones“ son sólo soluciones de emergencia. En mi opinión, estimado lector, es preciso de actuar de forma respetuosa y ahorrativa con el agua.

El ariete realiza una pequeña aportación al respecto.

El calentamiento de la atmósfera (cambio climático) por la emisión extremadamente elevada de dióxido de carbono varía también el ciclo natural. El equilibrio entre sequía y lluvia es perturbado. De modo que, igualGracias a esta circulación eterna, el agua se mantiene siempre limpia y enriquecida con minerales; sólo cuando está "madura“ aparece en la superficie terrestre en forma de fuentes. Este agua de manantial es apta para el abastecimiento de los seres vivos de la Tierra y es inigualable en cuanto a calidad. Cuando hoy en día perforamos pozos profundos porque hemos contaminado las fuentes, extraemos agua muerta, excluyéndola del ciclo descrito. Este agua no es potable en toda regla y es preciso tratarla primero técnicamente. Luego es posible calcular también cuándo estas aguas producirán una saturación de contaminantes en los estratos de la Tierra y volverá a surgir el problema.

El agua disuelve muchas materias. Esto ha llevado a los especialistas en agua a pensar que era posible neutralizar la contaminación del agua con la adición de sustancias químicas en lugar de proteger los manantiales. A mi entender, todas estas "reparaciones“ son sólo soluciones de emergencia. En mi opinión, estimado lector, es preciso de actuar de forma respetuosa y ahorrativa con el agua.

El ariete realiza una pequeña aportación al respecto.

El calentamiento de la atmósfera (cambio climático) por la emisión extremadamente elevada de dióxido de carbono varía también el ciclo natural. El equilibrio entre sequía y lluvia es perturbado. De modo que, igual que la contaminación del agua nos perjudica directamente, nuestro comportamiento irreflexivo y descuidado ocasiona a menudo fuertes inundaciones.

La extracción forzada de agua en grandes cantidades es motivo además de conflictos militares.

Tarde o temprano, el hombre deberá conformarse con no consumir más de lo que nos da la naturaleza. Sangrar las reservas significa vivir de la sustancia y ésta nuevamente es finita. No sólo es válido para el agua.

La historia de un invento fascinante

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 la longitud de los tubos, las secciones del 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 imbebibles la mayoría de las fuentes.

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

El principio funcional de un ariete El golpe de ariete

¿Cómo funciona en realidad un ariete?

¡Esta pregunta me la hacen a diario!

Puede ver el principio fundamental de una instalación de ariete en la Ilustr. 02.

La columna de agua que fluye por el conducto de impulsión se detiene de golpe mediante la válvula de choque

V1. Por la energía cinética del agua, se origina una alta presión que impele una parte del agua a través de una válvula de retención V2 hacia arriba a la cámara de aire WK y comprime el colchón neumático que se encuentra en su interior. La presión en la cámara de aire empuja el agua a través del conducto vertical St hacia arriba. Si se han equilibrado las relaciones de compresión, V1 se abre y V2 se cierra. El ciclo empieza nuevamente.

Este juego de válvulas que se repite de forma continuada, provocado por la columna de agua empujada, dio al ariete hidráulico su nombre, que hace referencia al carnero que va siempre dando empujones.

Todo ello se puede comparar también con otro procedimiento:

Un clavo se clava a una pared trocito a trocito si se golpea con un martillo. Resulta mucho más sencillo que intentar hacer entrar el clavo en la pared presionándolo con el martillo.

Eso es justamente lo que hace el ariete:

La columna de agua –como el clavo en la pared– es empujada hacia arriba a través del conducto vertical mediante impulsos, de modo que por medio de la válvula impelente cada golpe del ariete hace que llegue una pequeña cantidad de agua a la cámara de aire, que finalmente es impelida hacia el conducto vertical.

El agua sólo puede hacer este recorrido. La válvula impelente sólo se abre en una dirección, permitiendo siempre que se infiltre agua nueva, y la cámara de aire es tan estable que soporta fácilmente la presión del aire comprimido.

De este modo, el agua remonta metro a metro con poco esfuerzo y llega finalmente sin demasiados problemas al tanque elevado.

Con este "truco“ se vence una presión de hasta 30 bar (equivalente a 300 metros de altura), la misma que se forma en la cámara de aire.

B = tanque elevado

V1 = válvula de choque

V2 = válvula impelente

H = altura de impulsión

h = altura de presión

St = conducto vertical

Tr = conducto de impulsión

WK = cámara de aire

Vemos también que un ariete no puede funcionar en ningún caso por sí solo.

Necesita una instalación de ariete completa (Ilustr. 2), en la que todos los componentes están ajustados entre sí. Abb. 02

Esquema de funcionamiento de una instalación de ariete completa

Q = colector de fuente                                                   Tr = conducto de impulsión

T = pozo de extracción                                                  D = diámetro de Tr

W = pozo de ariete                                                        H = altura de impulsión

B = tanque elevado                                                        h = altura de presión

L = longitud conducto de impulsión                               St = conducto vertical

l = longitud del conducto vertical                                    d = diámetro de St

ÜT = canal de derrame T                                              ÜW = canal de derrame W

El ariete hidráulico aprovecha la energía cinética o fuerza de propulsión que se crea cuando se interrumpe de forma brusca el flujo de agua dentro de un tubo.

La obtención de energía en un ariete se realiza del siguiente modo:

Un contenedor de agua (pozo de drenaje de extracción) recoge el agua. El depósito se encuentra como mínimo 1,50 metros por encima de la instalación de ariete, y está unido a ésta por el conducto de impulsión. La válvula de cierre instantáneo (válvula de tope) del ariete se abre automáticamente por el efecto de resorte y se cierra inmediatamente cuando se alcanza el caudal máximo. El efecto de resorte es por tanto ajustable.

Ese es el momento en que se origina el aumento de presión en el conducto de impulsión, porque el agua del conducto está en movimiento y empuja hacia delante.

Esto hace que una parte del agua que debe hacer fluir el ariete parezca quedar desaprovechada, hasta que se alcanza el caudal máximo. Este agua, sin embargo, sí se aprovechará, para formar el caudal.

En el momento de cerrarse la válvula de tope, la energía cinética de la columna de agua que se encuentra en movimiento dentro del conducto de impulsión se convierte en energía potencial. El fuerte aumento de presión hace posible que el agua sea impelida a través de una válvula de retención hacia una cámara y posteriormente a través de un conducto vertical hacia arriba.

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. Este procedimiento puede compararse con un choque con carrocería trasera.

Puede aplicarse la ecuación de física                                           m v²

                                                                                              E = -------------

                                                                                                             2

La energía E de la columna de agua en movimiento es por tanto el producto de la masa dividida por dos m por la velocidad v al cuadrado.

Esta energía puede transportar la columna de agua si se interrumpe de forma abrupta (sin tener en cuenta las pérdidas).

También sirve en este caso la denominada balanza energética, por cada fracción de un segundo en que la válvula de choque se cierra y la columna de agua se detiene súbitamente:

El volumen de agua impulsado Q, multiplicado por la altura de caída H, equivale a la energía de impulsión.

Ilustr. 003

El caudal de agua de extracción q por la altura de presión h es la  energía obtenida.

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

q * h = Q*H , donde inicialmente no se tienen en cuenta las pérdidas internas.

1 Teoría y práctica de un gran invento caído en desuso. Impreso y distribuido por: Weinmann Sondermaschinenbau GmbH Edición 9.0. Marzo de 2004. ISBN 3-00-013342-9