Tecnologías para el abasto de agua Por Alejandro Montesinos Larrosa* y Leopoldo Gallardo Quiñones** Todos los caminos llevan al agua, a todas las aguas bajo el Sol. Primera parte La bomba de soga Una soga, un cubo y una roldana pudieran parecer los ingredientes que permiten al hombre un menor gasto energético para elevar agua manualmente, en volúmenes significativos, desde un pozo. Difícil imaginar un dispositivo que logre satisfacer con tanta sencillez y eficacia esta vital necesidad humana; pero la bomba de soga desafía cualquier intento de cristalizar el conocimiento técnico y tecnológico en función del abastecimiento de agua. La bomba de soga no reconoce derecho de autor, porque los pueblos le añaden su propia astucia y sapiencia. Nunca llega a la perfección, porque se renueva en cada proyecto. Siempre seduce, porque logra acercarnos al agua con sustentabilidad y respeto hacia la naturaleza. ¿Qué es la bomba de soga? Es una bomba manual para la extracción de agua desde un pozo u otra fuente hasta la superficie o nivel deseado, con un mínimo de esfuerzo físico. Constituye una tecnología apropiada para Cuba y los países del Sur por su bajo costo, sencillez, eficiencia y, sobre todo, porque su fabricación, instalación, mantenimiento y explotación pueden ser asumidos por las comunidades mediante sus propios recursos. El equipo se utiliza para el abasto de agua a la población y la ganadería, y para el riego a pequeña escala, fundamentalmente en zonas rurales y periurbanas, aunque se utiliza con aceptación en las ciudades con deficiente suministro de agua. La bomba de soga sustituye la energía convencional, protege el medio ambiente y contribuye a lograr un desarrollo sostenible. Esta tecnología se conoce, según las traducciones en los diferentes idiomas occidentales, como bomba de cuerda, rope pump, pompe à corde. En América Latina se adoptó la palabra cuerda según las tradiciones locales: bomba de mecate, en Nicaragua; bomba de lazo, en Guatemala; bomba de soga, en Perú y Cuba. Las tecnologías precursoras de la bomba de soga son, en el sentido cronológico, el cigoñal o shaduf, la noria, la noria con cadena y la bomba de cadena (Fig. 1). 1. Shaduf o cigoñal. 2. Noria. 3. Noria con cadena. 4. Bomba de cadena. 5. Bomba de soga. Fig. 1. Esquemas de bombeo de agua, precursores de la bomba de soga. Principio de funcionamiento La bomba de soga conforma un circuito cerrado entre la fuente de agua y la superficie o nivel deseado, mediante una soga sinfín en la que se disponen pistones de goma u otro material, a intervalos determinados (Figs. 2 y 3). Fig. 2. Diferentes modelos de bombas de soga en su versión manual. La soga asciende por un tubo de subida, pasa por una polea motriz y baja libre hasta la fuente de agua. En la parte inferior se coloca una guía que facilita la entrada de la soga y los pistones en el tubo de subida. Entre los pistones y el diámetro interior del tubo de subida, generalmente de PVC, existe una holgura mínima para disminuir el desgaste de los pistones y el interior del tubo, el cual es irregular en dimensiones y rugosidad superficial. Los pistones se mueven en una sola dirección y, cuando llegan arriba, el agua bombeada se desvía hacia el usuario. Al accionar la polea motriz, los pistones que ascienden por dentro de la tubería empujan la columna de agua hacia arriba por su parte superior, y succionan otra columna de agua por debajo. Existen diferentes modelos de bombas de soga, pero todos tienen el mismo principio de funcionamiento. Componentes de la bomba La bomba de soga ha experimentado transformaciones en cada país, por su inherente capacidad de adaptarse a las posibilidades tecnológicas y la capacidad productiva de cada lugar. En particular, prevemos un diseño que integre la fusión de piezas estandarizadas por la industria y el comercio contemporáneos, con elementos concebidos en las comunidades a partir de los procesos de soldadura, fundición y otros que permitan disminuir los costos y facilitar la intercambiabilidad de sus componentes. No obstante, a continuación se describen las sugerencias más aceptadas en la práctica nacional e internacional. Estructura o base. Soporte que permite la colocación de la polea motriz con su eje y manivela, de forma tal que ésta quede sobre el pozo. La estructura puede ser construida de madera o de perfiles metálicos, como platinas, angulares, cabillas, etc. El diseño varía en dependencia de las características constructivas del pozo ( ver Fig. 2). Fig. 3. Principales componentes para el funcionamiento de la bomba de soga. Polea. Puede ser construida de madera o de metal, revestida de goma, o utilizar las pestañas de neumáticos deteriorados. Esta última es la forma más usual. Las pestañas se unen de forma invertida mediante grapas, a las que se van fijando los rayos, de alambrón o cabilla, y los rayos se fijan al centro de la polea (Fig. 4). Fig. 4. Una forma de asumir el diseño de la polea motriz: En el centro de los rayos, en forma de estrella, se suelda el buje, y en las puntas, las grapas, en las cuales se colocan las pestañas de neumáticos deteriorados, unidas de forma invertida. Manivela. De madera o metal, se fija al centro de la polea y a la estructura mediante bujes o cojinetes que permiten la rotación. Las manivelas pueden ser simples o dobles, en dependencia del esfuerzo a realizar, y siempre en sus extremos deben estar provistas de manillas, para evitar daños al usuario. Bujes o cojinetes. Permiten la rotación de la polea, accionada por el usuario mediante la manivela. Pueden ser simples tubos fijos a la estructura o base, por los que gira el eje de la polea, o sistemas más complejos como los cojinetes industriales. Para mejorar la fricción se recomiendan bujes de bronce, metal-metal y teflón. Este último es un polímero ligero, resiste la corrosión y el impacto, funciona como aislante eléctrico y, adicionalmente, es fácil de maquinar, características que le confieren ventajas a su uso cuando se decide realizar una producción seriada. Tubería. El tubo de subida debe ser de PVC o manguera plástica. El diámetro a utilizar depende de la profundidad del pozo y en su ensamblaje deben cumplirse algunos requerimientos básicos. El extremo inferior del tubo de subida debe tener forma de campana que permita el paso fluido de la soga y los pistones, sin daño para estos últimos. En caso de utilizar tubos, el empalme de la columna debe hacerse por emboquillado, fijando cada empalme mediante ligas de cámara de autos, o con una goma especial. Se recomienda utilizar dos ligas estiradas longitudinalmente para mantener la unión comprimida. En el extremo superior de la tubería de subida debe acoplarse un diámetro mayor, provisto de la conexión (Tee), que permite el desvío del agua hacia el recipiente. Con esto también se logra la estabilidad en el flujo de agua que se recibe y se evitan pérdidas por la parte superior. El tubo guía, utilizado sólo en pozos tubulares de pequeños diámetros, siempre debe tener mayor diámetro que el de subida, pues su objetivo es guiar la soga y proteger los pistones de las irregularidades de la pared del pozo. Fig. 5. Parámetros de los pistones utilizados en la bomba de soga. Pistones. Los más recomendables son los de goma, pero se utilizan también de madera dura, plástico y otros materiales. Su diámetro se determina en dependencia del diámetro interior de la tubería de subida, de forma tal que exista una holgura entre ellos para evitar su atasco (Fig. 5). La durabilidad de este elemento depende de la calidad del material y de su correcto uso. La distancia a que van colocados se determina a partir de la holgura mencionada, o sea, mientras mayor sea la holgura menor será la distancia entre los pistones. Sin embargo, la distancia entre pistones será mayor en la medida en que aumente la profundidad del pozo. En ocasiones, los pistones construidos de goma o plástico tienen forma de campana, con su periferia flexible y un centro rígido (Fig. 6). La distancia entre pistones varía de 0,5 a 5 m, pero comúnmente es de 2 m. Fig. 6. Molde para fabricar pistones inyectados. Guías. Se construyen de metal, madera dura y de cerámica esmaltada; esta última es la más recomendable para alargar la vida de la soga y los pistones. La forma de la guía puede ser variada. Guías de profundidad. Su función básica es guiar la soga y los pistones al girar hacia arriba, además de permitir la entrada fluida a la tubería de subida (Fig. 7). De esta guía pende el contrapeso. Guía superior. Generalmente se utilizan rodillos de cerámica esmaltada o aisladores eléctricos y su función es, en el caso de pozos tubulares, guiar la soga y los pistones hacia la entrada del pozo, para eliminar fricciones perjudiciales (Fig. 8). Fig. 7. Guía inferior o de profundidad construida con un segmento de tubo de PVC, al que se une una roldana de madera dura mediante un eje y dos tuercas. Fig. 8. Guía superior construida con un aislador eléctrico y fijada al poste de una bicibomba, con descarga a un tanque elevado. Contrapeso. Su función principal es mantener la tubería en una posición lo más perpendicular posible, y puede ser una piedra, un bloque, algún pedazo de metal u otro cuerpo pesado. Soga. Preferiblemente de nailon y su diámetro oscila entre 5 y 10 mm, en dependencia del diámetro del tubo de subida. En la práctica, su vida útil es de dos años, aproximadamente. Sistema de bloqueo o freno. Este elemento se incorpora para impedir el retroceso de la polea en sentido contrario al convenido, o accionar la polea en sentido opuesto. Así se evitan roturas en el equipo. Características técnicas El equipo tiene un alto rendimiento y bombea grandes caudales: desde 2 L/s a una profundidad de 5 m, hasta 0,2 L/s a 40 m (Tabla 1). La bomba permite su utilización de forma intensiva. Mientras mayor sea el diámetro interior del tubo de subida y la velocidad de los pistones aumente, mayor será la eficiencia de la bomba. Otro elemento que influye en la eficiencia de la bomba de soga es la holgura entre el diámetro de los pistones y el diámetro interior del tubo de subida. Además de su fácil construcción, operación y mantenimiento, la bomba de soga se caracteriza por su gran adaptabilidad, porque puede instalarse en pozos con profundidades mayores de 40 m, permite bombear agua más arriba del nivel del suelo, y puede ser accionada manualmente, por un malacate (tracción animal), un motor (energía eléctrica convencional), un molino de viento (energía eólica) o por celdas fotovoltaicas (energía solar). La eficiencia de la bomba de soga alcanza más de 80% (prácticamente más del doble de otras bombas manuales) y su costo es de dos a tres veces menor que las de émbolo. El mantenimiento y la reparación son sencillos, basados fundamentalmente en el cambio de la soga, los pistones y pintura, como mínimo a los dos años de explotación (Tabla 2). Instalación Inicialmente se debe comprobar la limpieza del pozo, de modo que esté libre de raíces u otras suciedades que puedan obstruir el funcionamiento de la bomba. Con posterioridad, se debe determinar el nivel del espejo del agua y la profundidad total del pozo. Para la instalación de la bomba se deben realizar las acciones siguientes: • Fijar la tubería de descarga a la parte superior de la tubería de subida. • Fijar la guía de profundidad a la parte inferior de la tubería de subida, mediante ligas, teniendo en cuenta que la parte libre es opuesta a la descarga y que es necesario colocar o conformar una campana de entrada. • Fijar los pistones a la soga, a la distancia necesaria, mediante nudos. Cuando los pistones no tienen el mismo diámetro, se crea un «vacío». • Pasar la soga con pistones por dentro de la tubería de descarga y a través de la guía de profundidad, para amarrar los extremos en la parte superior. Tener cuidado para no colocar los pistones al revés. • Colocar contrapeso al final del tubo de subida. • Colocar la estructura en la parte superior del pozo. • Introducir en el pozo la columna de tubos y fijarla a la estructura. • Pasar la soga por la polea, calcular su tensión y hacer el amarre final. • Comenzar el accionamiento para el bombeo. Mantenimiento y reparación Las operaciones de mantenimiento son sencillas: • En las primeras semanas de uso puede ser necesario tensar la soga, ya que ésta tiende a alargarse. Para realizar esta operación se deben soltar las puntas y después unirlas, cuando se haya obtenido la tensión necesaria para que la soga no patine sobre la polea. • Con cualquier tipo de aceite se deben engrasar periódicamente los bujes o cojinetes del eje de la polea y la manivela. • Es aconsejable revisar con periodicidad la fijación de la polea a la manivela y a la estructura. • Se debe limpiar y pintar la bomba cada año para evitar la corrosión. Las reparaciones más frecuentes, con un intervalo de 18 a 24 meses, son el cambio de los pistones y la soga (ver Tabla 2): • Es aconsejable cambiar la soga cuando se detecte un desgaste pronunciado. Esta operación se realiza uniendo la soga vieja a otra nueva (similar, pero sin pistones). Con esa soga de apoyo se puede introducir otra nueva con pistones. • Cuando la soga se rompe, antes de quitar la tubería del pozo se deja bajar una soga de apoyo con algún peso amarrado en uno de sus extremos. Después se quita la tubería del pozo y se introduce la soga nueva con pistones, con ayuda de la soga de apoyo. • Si el problema radica en la obstrucción de la tubería por suciedades del pozo, se debe sacar e intentar su limpieza, o sustituirla total o parcialmente. Bomba de soga de torre Esta variante de la bomba de soga permite solucionar el problema de elevar el agua, de forma manual, hacia un nivel superior a la superficie del pozo o fuente de abasto (Fig. 9). El principio de funcionamiento es el mismo, con la diferencia de que en una torre o poste se sostienen una polea superior, el tubo de subida y la tubería de descarga. La fuerza motriz ya no se aplica en el punto más alto, sino a la altura del pozo con la polea motriz. La soga sube por dentro del tubo de subida hasta la parte superior de la torre, da la vuelta en la polea superior, que gira libremente, y desciende para envolver a la polea motriz en aproximadamente 270° antes de ser conducida por la guía superior hasta el tubo guía para entrar en el pozo. Fig. 9. Bomba de soga de torre y detalle de la guía superior. Como torre o poste puede utilizarse cualquier material que soporte el peso de los componentes y la fuerza ejercida para mover la soga. La altura de bombeo comprende la suma de las alturas desde la superficie del suelo hasta el nivel en que se coloca la guía de profundidad dentro del pozo, y desde la superficie del suelo hasta la tubería de descarga que tributa al tanque elevado, donde se almacena el agua bombeada que después se utiliza por gravedad. Como esta altura suele ser mayor que la habitual, en la polea se colocan dos manivelas para ser accionadas por dos personas y de esa forma aumentar la potencia de bombeo, como en la bomba de soga para grandes caudales, que adicionalmente tiene las características de mayor diámetro del tubo de subida, menores alturas de bombeo y, por lo tanto, pistones de mayor diámetro. Con este último modelo pueden alcanzarse 2 L/s a 10 m de desnivel de bombeo, mediante la acción de dos hombres. Bomba de soga para el bombeo no vertical No siempre la fuente de abasto es un pozo. En ocasiones se requiere bombear agua desde un río, presa, canal o acequia, y en esos casos la bomba de soga se presenta como un equipo difícilmente superable por la facilidad y el bajo costo con que se soluciona el problema (Fig. 10). Fig. 10. Bomba de soga para bombear agua desde un río, una presa, un canal o una acequia. Basta inclinar, en el ángulo necesario, el tubo de subida. Por las condiciones de trabajo, casi siempre se requiere añadir el tubo guía para facilitar el recorrido deseado de la soga con los pistones. El resto de las especificaciones técnicas se comportan como en la bomba de soga para el bombeo desde un pozo. Bicibomba La bicibomba consiste en una bomba de soga de torre acoplada a una bicicleta, de forma tal que se pueda bombear agua hacia un recipiente elevado a partir de la energía del hombre al pedalear. El equipo es sencillo y puede ser utilizado para el abastecimiento de agua en bases de campismo, centros turísticos, zonas rurales y zonas periurbanas. Es viable su empleo para el abasto de agua potable y para el uso doméstico, el riego a pequeñas parcelas y el abasto a la ganadería, de forma limitada (Fig. 11). Fig. 11. Componentes de un modelo de bicibomba. La bicibomba funciona de igual forma que una bomba de soga de torre, con la diferencia de que la fuerza motriz no se ejerce con los brazos, sino con las piernas al pedalear y poner en movimiento la llanta (Fig. 12). El caudal de agua bombeada depende de la relación de transmisión que se instale, el diámetro del tubo de subida, la altura de bombeo y el diámetro de la llanta. Teniendo en cuenta que el hombre desarrolla más potencia en las piernas que en los brazos (75 W), el accionar de la bicibomba implica menor agotamiento físico y mayor productividad. Fig. 12. Modelo de bicibomba, con una bicicleta construida a partir de tubos galvanizados. Como elemento de referencia puede tenerse en cuenta que a una altura total de bombeo de 6 m, una relación de transmisión de 44/18, una llanta de 26 pulgadas y un tubo de subida de ¾ pulgadas, es posible bombear aproximadamente 2 L/s con sólo 52 W de potencia requerida. Si se pedalea durante media hora con los parámetros referidos, con la bicibomba se pueden almacenar 3 600 L (3,6 m3) en un tanque ubicado a 3 m de altura, si la fuente de agua se encuentra a 3 m de profundidad. Teniendo en cuenta que la norma de consumo para las vacas lecheras es de 140 L/día, con las condiciones descritas es posible satisfacer en ese tiempo las necesidades de agua a una vaquería de 25 animales.Inicialmente, se deben tener las mismas precauciones que para la instalación de la bomba de soga. El mantenimiento y la reparación de la bicibomba son parecidos al de la bomba de soga, con la única diferencia de que debe lubricarse con periodicidad el mecanismo de transmisión de la bicicleta. Bomba de soga con motor Bajo esta denominación se incluyen los equipos accionados por motores eléctricos o de combustión interna (Fig. 13). Esta propuesta no ha tenido mucho auge por incluir en su diseño elementos industriales que elevan el precio de los equipos y exigen el uso de combustibles fósiles. No obstante, amplían el uso de la bomba de soga de accionamiento manual cuando se requieren potencias mayores a la desarrollada por el hombre, fundamentalmente en profundidades de bombeo mayores de 40 m, y donde se necesitan grandes caudales en períodos prolongados. Fig. 13. Bomba de soga de torre con electrorreductor. El principio de funcionamiento es idéntico, sólo que la polea se acciona por el motor. Algunas experiencias señalan que con un motor de 2,5 kW pueden bombearse 12 m³/h desde 12 m de profundidad, o 4,5 m³/h desde 40 m. Se recomienda este modelo de bomba con fines experimentales, o bajo el seguimiento del fabricante o un centro de investigación. Bomba de soga con molino de viento La energía eólica puede, perfectamente, sustituir a la energía humana como fuente motriz de la bomba de soga. Dado que la potencia requerida no es grande, deben usarse molinos pequeños que logren captar vientos de velocidades inferiores a 4 m/s y que permitan usar la bomba de forma manual en zonas de regímenes inestables de viento. La mayoría de los modelos utilizados en Centroamérica tienen el inconveniente de que no permiten la rotación del molino a 360°. Esta limitación quedó superada con el diseño propuesto por el Grupo de Energía Solar (genSOL), basado en las experiencias del Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA). En este modelo, la polea o rueda motriz se mueve por un juego de poleas multiplicadoras (5), que recibe el movimiento por una rueda de fricción (6) que está en contacto con el disco (7) de un rotor eólico de eje vertical (Fig. 14). Fig. 14. Diseño de molino de viento, de eje vertical, con bomba de soga. El tubo de subida (3), el rotor eólico (8) y los mecanismos de transmisión (4, 5, 6 y 7) están soportados por un tubo o estructura, que puede tener la altura deseada para aprovechar mejor la energía eólica y bombear a mayor altura. Aunque este tipo de modelo exige la instrumentación de procesos productivos y tecnológicos más complejos con relación a la versión manual de la bomba de soga, presenta como ventajas su alta eficiencia, gran confiabilidad, bombeo de grandes caudales y a grandes profundidades, y, sobre todo, bajos costos y más fácil construcción, montaje, operación y mantenimiento, con relación a los sistemas eólicos tradicionales. Bomba solar Los sistemas eléctricos alimentados por paneles fotovoltaicos pueden facilitar el abasto de agua mediante su conexión directa a bombas de corriente continua, o por medio de un inversor (DC/AC) a bombas de corriente alterna. El punto de rentabilidad de este sistema de bombeo se encuentra situado en función del costo de otro tipo de energía (líneas eléctricas, costo de operación, costo del combustible, etc.), en lo que se suma no sólo el costo de la inversión inicial, sino también el costo de mantenimiento de la instalación, que es ínfimo. La bomba solar es una tecnología apropiada para aquellos lugares en los cuales no exista servicio eléctrico. El equipo fusiona dos tecnologías aparentemente contradictorias: el uso de la energía solar fotovoltaica junto a una tecnología popular (bomba de soga), pero de alta eficiencia. Esto permite aprovechar al máximo la energía disponible (Fig. 15 ). Fig. 15. En primer plano se encuentran un panel solar fotovoltaico, una batería y un conversor; y en segundo plano, una bomba de soga de torre acoplada a un electrorreductor. Las bombas solares que se han instalado en el país están compuestas por dos paneles solares de 30 W a 12 V conectados en paralelo, un regulador de voltaje, un banco de baterías con capacidad de 150 AH, un convertidor de 250 W (12 V DC / 110 V AC) que energiza un motor eléctrico de 121 W a 110 V, acoplado a un reductor con una relación de transmisión igual a 30, y a una bomba de soga de torre. Este diseño puede trabajar en zonas remotas donde no se disponga de un suministro constante de electricidad o de combustible, eleva el agua a más de 5 m de altura y asegura un caudal definido en unidad de tiempo, pues tiene el respaldo de las baterías, aunque su autonomía depende de la cantidad de horas diarias de bombeo. La bomba solar puede ser utilizada en consultorios y casas del médico de la familia, escuelas rurales, campismos, centros turísticos, instalaciones sociales y objetivos económicos. Generalmente, se realiza la electrificación de la instalación, y la bomba solar puede formar parte del equipamiento para garantizar el suministro de agua potable y el riego a pequeñas parcelas. Perspectivas La bomba de soga ya comenzó su andadura en nuestro archipiélago. El mejor síntoma de su apropiación lo constituye el sentido de pertenencia que adquieren con respecto a ella las comunidades donde se instalan. En los años más difíciles de la crisis económica cubana de finales del siglo xx, muchas bombas de soga instaladas, incluso en repartos urbanos, se convirtieron en puntos de convergencia de los pobladores, quienes cuidan celosamente sus componentes y realizan su mantenimiento. Los modelos descritos de la bomba de soga con molino de viento y de la bomba solar, cumplen todos los requisitos de fiabilidad, eficiencia y sustentabilidad, como alternativas realistas en dos programas con prioridad en el país: el abasto de agua potable a las comunidades de menos de 300 habitantes que no poseen acueducto, y la electrificación de las más de cien mil viviendas cubanas (aproximadamente 4% de la población) que no tienen servicio eléctrico desde el Sistema Electroenergético Nacional. Adicionalmente, en el caso de la bomba solar, con un mínimo de inversión puede solucionarse el abasto de agua estable en escuelas, consultorios y casas del médico de la familia, círculos sociales, salas de vídeo y policlínicas rurales energizados con sistemas fotovoltaicos. La bomba de soga llega a Cuba en 1992, mediante el CITA, del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH), con sede en Camagüey (Fig 16). Fig.16. Prototipo de bomba de soga, para pozos tubulares, utilizado como material de estudio en el Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA). Con anterioridad se conocía de su empleo en Centroamérica, fundamentalmente en Nicaragua, El Salvador y Guatemala. Bastaron algunos talleres y seminarios para que en los centros provinciales de perforación y construcción del INRH, las delegaciones provinciales de la Asociación Nacional de Agricultores Pequeños (ANAP), fundamentalmente la de Holguín, y la Fábrica de Implementos Agrícolas 26 de Julio, de Bayamo, entre otras entidades, se apropiaran de esta tecnología y posibilitaran su uso en todo el país, aunque con mayor impacto en la región oriental, donde ya funcionan más de 3 000 bombas de soga, con el total beneplácito de la población beneficiada. Es útil insistir en que por su fácil diseño, la bomba de soga permite su construcción por los propios usuarios, como lo demostraron diversos colectivos y personas de las provincias de Guantánamo, Holguín y Granma. Si convenimos en que una tecnología apropiada es aquella que mejor se adapta a las condiciones de una situación dada, y cuya aplicación es compatible con los recursos humanos, financieros, materiales y medioambientales con que se dispone, entonces es indudable que la bomba de soga supera el confuso mecanismo de la transferencia de tecnología Norte-Sur, para erguirse como un logro de la tecnología popular, con todas las credenciales de una tecnología apropiada para el Norte y el Sur. El hombre siempre buscó el agua y estableció sus asientos cerca de ella, porque todos los caminos llevan al agua; pero los caminos han de ser también sustentables, y permitirnos llegar a todas las aguas bajo el influjo del Sol. Y para eso urge concebir y utilizar tecnologías ecológicas nobles como la bomba de soga. SEGUNDA PARTE Los secretos del ariete hidráulico Frente a los castillos medievales recurría la soldadesca de infantería con una viga larga y pesada, que reforzaban en un extremo con una pieza labrada de hierro o bronce, comúnmente en forma de cabeza de carnero. ¡Ariete a la vista!, vociferaban los defensores desde los recintos amurallados. Los asaltantes arremetían con ímpetu contra las puertas o baluartes vulnerables para inferir una brecha hacia los aposentos de la fortificación. El servil y estratégico ariete podía decidir el color de la bandera que ondearía en el mástil cardinal de la fortaleza asediada. Con los siglos las catapultas y los arietes cedieron su linaje a la pólvora y el cañón. El imperio actual recurre a los misiles desde un bunker informatizado. Pareciera que el vocablo ariete caería en el saco de las palabras referentes sólo a las contiendas del Medioevo. Venturas y desventuras del ariete hidráulico El ariete hidráulico irrumpe en la historia al principio de la era de los grandes inventos y alcanzó la adultez paralelamente a las máquinas de vapor y el motor de combustión interna (Fig. 17). Fig.17. Ariete hidráulico tradicional. En una cervecería del condado inglés de Cheshire, John Whitehurst fermentó su ingenio para construir un aparato con un principio de funcionamiento novedoso: accionaba manualmente un grifo en una tubería conectada a un tanque de abasto, en un nivel superior, para provocar el fenómeno físico conocido como golpe de ariete, que permitía elevar el líquido a un tanque de almacenamiento colocado a una altura mayor (Fig. 18). Un niño se ocupaba de accionar el artefacto, que funcionó desde 1772 hasta 1800. Fig. 18. Esquema de funcionamiento del ariete ideado por John Whitehurst. La sagacidad humana añadió elementos al invento cervecero, y seis años antes de que Joseph Montgolfier junto a su hermano Étienne inventara el globo aerostático, concibió un ariete automático, en principio similar a los de hoy, aunque entonces lo denominó le belier hydraulique (Fig. 19). La novedad, reconocida en 1776, libró a los infantes (y adultos) de la servidumbre humana como fuerza motriz. Después de la muerte del ilustre francés otros se ocuparon de añadir bondades al equipo e investigaron los secretos de su aparente magia. Fig. 19. Esquema del ariete hidráulico ideado por Joseph Michael Montgolfier, construido con el mismo principio de funcionamiento de los equipos actuales. Los adeptos a la invención concibieron diseños que combinaron el ariete con un sifón o una bomba de succión, lo utilizaron como compresor de aire, lo acoplaron con una válvula de impulso operada mecánicamente, lo adaptaron a un motor o un pozo artesiano, lo revistieron de concreto reforzado o lo adaptaron para utilizar la energía de las mareas. Las innovaciones nos legaron un aparato que durante más de un siglo figuró entre las máquinas hidráulicas más apreciadas y experimentadas. La tentación por lo desconocido provocó que algunos formularan hipótesis sobre la aparente simplicidad de los procesos que ocurren en el fluir del agua a través del ariete: Eytelwein (1805), d’Aubuisson (1840) y Morin (1863) aportaron deducciones empíricas que aún persisten en trabajos de referencia ingenieril, aunque Walker Fyfe (1922), quien realizó muchas instalaciones en Inglaterra, declaró la inutilidad de sus fórmulas.
¿Qué es el golpe de ariete? La Física reconoce el fenómeno denominado golpe de ariete o choque hidráulico, que ocurre cuando varía bruscamente la presión de un fluido dentro de una tubería, motivado por el cierre o abertura de una llave, grifo o válvula; también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor o bomba hidráulica. Durante la fluctuación brusca de la presión el líquido fluye a lo largo de la tubería a una velocidad definida como de propagación de la onda de choque. El cambio de presión provoca deformaciones elásticas en el líquido y en las paredes de la tubería. Este fenómeno se considera indeseable porque causa frecuentes roturas en las redes hidráulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y también es causante de los sonidos característicos que escuchamos en las tuberías cuando abrimos o cerramos un grifo bruscamente en nuestras casas. Por tal razón, con frecuencia se diseñan válvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad. El científico ruso N. Zhukovski (1847-1921) estudió este fenómeno por primera vez en su obra Sobre el choque hidráulico, como parte de sus indagaciones hidroaeromecánicas, que constituyeron la base teórica para la ulterior comprensión del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico, lo que demuestra que los fenómenos físicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armónica actuación del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano.
Los partidarios de las formulaciones teóricas se empeñaron en determinar el índice del cambio de la velocidad variable de la columna de agua durante cada período en el ciclo de trabajo del equipo, para finalmente intentar predecir el volumen de agua que pudiera bombearse mediante los modelos concretos. La asunción del método exclusivamente teórico regatea con la quimera: las variables del proceso desbordan las exigencias de las fórmulas matemáticas si no se recurre al instrumental del experimento. Habría que incluir el comportamiento de las pérdidas de carga por fricción o turbulencia, la longitud del recorrido de la válvula de impulso, el peso que actúa sobre la válvula de impulso, la resiliencia debida a la elasticidad del agua y el material de la tubería de impulso, y la duración del período durante el cual la válvula de impulso cierra, entre otros elementos. La fusión de la teoría y la práctica deberían aportar las claves cognitivas: desde Harza (1908), con el diseño de un equipo experimental accionado por un motor externo para determinar el caudal inestable durante el período de aceleración; O’Brien y Gosline (1933), quienes aportaron una primera explicación satisfactoria para el funcionamiento del ariete; Lansford y Dugan (1941), que obtuvieron informaciones atendibles; Krol (1952), quien formuló conceptos útiles; o el modelo de Iversen (1975); hasta recientes indagaciones como las realizadas por Schiller y Kahangire en la Universidad de Ottawa, el belga Jan Haemhouts (1989-1998) e investigadores cubanos desde la década del noventa del pasado siglo. El ariete hidráulico, en su versión convencional, es un equipo pesado, voluminoso y relativamente costoso en comparación con otros, como la combinación de una bomba centrífuga con un motor eléctrico o un motor de combustión interna. Además, su utilización queda limitada a condiciones específicas: disponer de un caudal de agua constante y un desnivel suficiente para lograr la potencia deseada. La potencia en sí tiene sus límites en el ariete hidráulico convencional, por elementos constructivos, como los diámetros mayores del tubo de impulso y por consiguiente de la válvula de impulso. Estas limitaciones fueron superadas a partir de la concepción y diseño del ariete hidráulico multipulsor (Fig. 20). Fig. 20. Prototipos de arietes hidráulicos multipulsores exhibidos en el Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA). En la industria moderna disminuyó el uso del ariete hidráulico convencional, hasta casi desaparecer en el contexto tecnológico contemporáneo. Lo que más se recuerda de la era victoriosa de los arietes convencionales es el escaso mantenimiento que requerían y su larga vida útil, lo que hubiera permitido satisfacer ciertos mercados por varias décadas (en Ameya, Nicaragua, se encuentra un ariete funcionando desde 1884). Este argumento tampoco favorece el desarrollo de esta tecnología en el mundo mercantilista, donde el buen negocio consiste fundamentalmente en seguir vendiendo, aunque sea sobre la base de la manipulación de las necesidades reales del cliente. El concepto convencional del ariete hidráulico se mantuvo en la memoria de los planificadores y diseñadores como una de esas cosas simpáticas del pasado, y su aplicación quedó restringida a casos particulares. Venturas y aventuras del ariete hidráulico multipulsor La fecha de adopción del ariete hidráulico en Cuba se pierde entre los documentos y la memoria de algunos campesinos, que aún esperan por una indagación más acuciosa. Modelos construidos e instalados en el siglo XIX todavía resisten la prueba del tiempo y con un mínimo mantenimiento pudieran reiniciar su rítmico accionar. Muchos recuerdan el equipo que abastecía de agua a más de setecientas cabezas de ganado mayor en Canapú, Birán, en el municipio holguinero de Cueto, hace más de ochenta años. En la penúltima década del pasado siglo algunos investigadores y técnicos construyeron arietes hidráulicos convencionales en la Empresa de Minihidroeléctricas de Mayarí, la Fábrica de Válvulas de Guantánamo y el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, entre otras entidades. El malogrado ingeniero belga Jan Haemhouts inició en Nicaragua, después de peregrinar por Haití y otras coordenadas, un empeñoso proceso de superación de las principales limitaciones del concepto convencional del ariete y adecuó esta tecnología a los requerimientos modernos de un proceso industrial. Su primer paso consistió en confirmar en la práctica el contenido de la memoria descriptiva de su patente referida al ariete hidráulico multipulsor. En Cuba redescubrió el aliento hacia la plenitud creadora, primero con colegas entusiastas de la Asociación Nacional de Agricultores Pequeños (ANAP), en 1990, y luego en Camagüey, en el CITA, donde logró el salto, cualitativo y cuantitativo, que añoraba. En el CITA crecía un proyecto singular, debajo de tres grandes mangos, a los que se añadieron una palma y una ceiba en 1995, el mismo día en que Martí había ofrecido su sangre generosa, cien años antes. Las prédicas de Jan y la nueva saeta que asumió el Estado cubano en relación con las fuentes nacionales de energía (incluidas las renovables), permitieron sacar al ariete hidráulico del letargo impuesto por la política, la industria y el mercado contemporáneos, que exaltan las prestaciones del motor de combustión interna, el motor eléctrico y otros artefactos afines. Con un sentido holístico, desde una sinergia provechosa, el ariete reanudó su peregrinar por la perseverancia de un equipo multidisciplinario de especialistas y técnicos del CITA, integrado por Leopoldo Gallardo, Pedro Luis Pérez, Fernando Puente, Juan Manuel Piñero, Nilo Sosa y Amado Cepero, entre otros.
¿Qué es el ariete hidráulico? La bomba de golpe de ariete o ariete hidráulico es un motor hidráulico que utiliza la energía de una cantidad de líquido (comúnmente agua) situada a una altura mayor (el desnivel de un río, presa, acequia u otro depósito o caudal), con el objetivo de elevar una porción de esa cantidad de líquido hasta una altura mayor que la inicial, mediante el empleo del fenómeno físico conocido como golpe de ariete. |  |
El equipo bombea un flujo continuo y funciona ininterrumpidamente sin necesidad de otra fuente de energía. El ariete hidráulico también puede compararse con un transformador eléctrico, ya que éste recibe una tensión baja (en voltios) con una corriente eléctrica relativamente alta (en amperios) y obtiene un régimen de mayor tensión y menor amperaje, y en el caso del ariete ocurre un proceso similar a nivel hidráulico: recibe un gran caudal (Q + q) con una baja carga (H) y obtiene un régimen de mayor presión (h) con un menor caudal (q).
Principio de funcionamiento El agua procedente de una fuente de alimentación (1) desciende por gravedad por la tubería de alimentación o impulso (2) bajo la acción del desnivel en relación con el ariete hidráulico (H), con un caudal determinado (Q + q), y se derrama al exterior del cuerpo o caja de válvulas (3) del ariete en una cantidad (Q) hasta adquirir una velocidad suficiente para que la presión dinámica cierre la válvula de impulso o ímpetu (4). |  |
El cierre brusco de esta válvula produce el efecto conocido como golpe de ariete, lo cual origina una sobrepresión en la tubería de alimentación que provoca la apertura de la válvula de retención (5), que permite el paso del agua hacia el interior de la cámara de aire (6), provoca la compresión del aire existente y cierta cantidad de agua (q) asciende por la tubería de bombeo o descarga (7). En ese instante se produce una ligera succión en el cuerpo o caja de válvulas que provoca una disminución de la presión, la apertura de la válvula de impulso y el cierre de la válvula de retención. De esta forma se crean las condiciones para que el proceso se convierta en cíclico, con el consiguiente ascenso de una columna estable de agua hacia el tanque elevado (8), mediante la tubería de bombeo.
Desde el artefacto de Whitehurst y la inventiva de Montgolfier, el ariete hidráulico experimentó cambios constructivos notables, pero ninguno tan trascendental como el nuevo concepto multipulsor, porque superaba las limitaciones relacionadas con los grandes volúmenes y pesos del equipo, y su potencia relativamente baja; o sea, el factor determinante no radicaba en el potencial de energía hidráulica disponible en una situación determinada, sino en la propia capacidad de admisión del flujo hidráulico en el aparato. La esencia del nuevo método consiste en la sustitución de la única válvula de impulso de los arietes convencionales por un conjunto adecuado de válvulas en posiciones óptimas, en dependencia de determinadas condiciones de producción e instalación para aprovechar mejor los caudales disponibles y aumentar la potencia y los rendimientos. Esto permite una baja relación entre la velocidad máxima del agua en el sistema y la velocidad del agua al momento del cierre de las válvulas, con un mínimo de contraimpulso para su abertura automática, lo que permite aún más reducir el largo y el diámetro del tubo de impulso. También aporta la ventaja de aminorar la necesidad de amortiguación en la magnitud de inyección de agua en la cámara de aire, por lo que puede reducirse su volumen. Por último, aparece la posibilidad de utilizar un solo tubo de impulso con una gran cantidad de unidades multipulsoras, lo que permite aumentar la potencia con unidades livianas estandarizadas y producidas en serie a bajo costo, mientras que con los arietes convencionales se necesita diseñar un aparato en función de un diámetro dado, de gran volumen y peso, y por consiguiente de un alto costo. Durante más de una década, en el CITA se han diseñado, investigado e instalado disímiles modelos. En las cercanías del poblado camagüeyano de Minas se experimentó la versión más avanzada hasta entonces del ariete hidráulico multipulsor, con un tubo de impulso de catorce pulgadas, equipado con ciento cuarenta y cuatro válvulas de impulso y una carga de entrada de menos de treinta centímetros. La construcción del banco de pruebas para arietes hidráulicos en la presa Jimaguayú, a diecisiete kilómetros de Vertientes, en Camagüey, potenció las investigaciones que se realizan en el CITA, con diámetros de entrada de dos pulgadas en adelante. En el propio centro camagüeyano se conformó un banco de pruebas de miniprototipos, con posibilidad de evaluar cargas de entrada de 0,5 a 3 m de altura y flujos de derrame que oscilan entre 0 y 10 L/s. Paralelo a estas indagaciones teórico-experimentales se asume la realización de protocolos de investigación asistidos por computadoras para el diseño y el cálculo de las uniones en los arietes hidráulicos y en su instalación. En los albores del siglo XXI Cuba reacomoda su economía y en particular su desarrollo energético, con un enfoque sostenible. En ese escenario el uso de los arietes hidráulicos (junto a otras tecnologías que utilizan las fuentes renovables de energía) puede y debe acercar el agua a los cubanos que aún no disponen del servicio de acueducto, allí donde un simple salto de agua en un río, presa o acequia permitan la instalación de estos equipos. El abastecimiento de agua a la ganadería y el riego a pequeñas parcelas se presentan como actividades que potencialmente pueden satisfacerse con el accionar de los arietes hidráulicos, con una probada eficiencia y rentabilidad (Tabla 3). El ahorro de combustibles fósiles que implica el uso de los arietes hidráulicos y el insignificante costo de su mantenimiento le confieren a esta tecnología una competitividad singular a la hora de decidir la solución del bombeo de agua en zonas rurales y de difícil acceso. Con el concurso de los especialistas del CITA y el movimiento del Fórum de Ciencia y Técnica, en Cuba se impulsa un proyecto de instalaciones de arietes hidráulicos, que ya cuenta con ciento ocho nuevos equipos instalados: sesenta en Holguín, veinticinco en Granma, trece en Santiago de Cuba, cuatro en Guantánamo, tres en Cienfuegos, dos en Camagüey y uno en Villa Clara, sin incluir más de treinta arietes convencionales reportados. El ariete hidráulico no revela aún todos sus secretos a los teóricos: mientras, los campesinos cubanos redescubren la magia de su bondad. En la nueva centuria, cuando el petróleo y el átomo conquistan inusitadas disparidades y abismos, renace con brío el artefacto que llaman carnero en el Oriente cubano, quizá como reminiscencia trópica de las figuras zoomorfas que se incrustaban en los extremos de los arietes medievales, dispuestos a golpear contra los portones de las atalayas y castillos. Ahora los arietes hidráulicos arremeten, con sus rítmicos y útiles golpes, contra la cultura energética del petrodólar: hacia la cultura solar. Publicado en Energía y tú, Nos. 19 y 25, jul.-sep., 2002 y ene.-mar., 2004. * Escritor y periodista. Director de la Editorial CUBASOLAR. Autor de los libros Matrimonio solar y Hacia la cultura solar. tel.: (537) 2059949. e-mail: amonte@cubaenergia.cu ** Ingeniero Agrónomo. Director del Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA). tel.: (5332) 261471. e-mail: rhcita@esicm.cu