Bomba hidráulica

La bomba hidráulica es una instalación que utiliza una cascada para soplar aire, succionándolo en un tubo por efecto Venturi y luego comprimiéndolo, debido a la altura de la caída .

Aparecido a mediados del XVI °  siglo Italia , esta instalación fue ampliamente utilizado hasta el final de la XVIII ª  siglo, principalmente en la producción de hierro , para ventilar el aire en los hornos. Convertirse en inseparable de la forja catalán , su uso desaparece gradualmente al comienzo de la XIX ª  siglo, junto con los hornos bajos y procesos de acero naturales .

En 1878 , Joseph Palmer Frizell patentó y probó una versión modernizada del cuerno, consistente en ahogar profundamente el recinto en el que el aire se separaba del agua. Esta modificación permite obtener aire a mayor presión y mejora significativamente la eficiencia del combustible . Veinte años después de esta patente, Charles Havelock Taylor redescubrió la idea y construyó sus primeros cuernos industriales de acuerdo con este principio. Algunas bombas están en funcionamiento a principios del XX °  siglo, con poderes veces hasta varios megavatios .

Abandonados gradualmente por diversas razones, los tubos de Frizell-Taylor siguen siendo una tecnología válida y se estudian con regularidad. De hecho, pueden aprovechar la energía hidráulica desde alturas de caída bajas con una baja inversión , garantizando al mismo tiempo un rendimiento superior al 70%.

Historia

Apariencia

La investigación moderna ha identificado inventos de finales de la Antigüedad tardía que presagian el tronco. En el IV º  se utiliza siglo en el Imperio Sasánida el "fuelle agua ': un tubo de bambú trae el agua y el aire en adición . Una de las patas de la piel, en la parte inferior, evacua el agua, mientras que el aire sale por otra situada más arriba. Una versión derivada se evoca en el Mundus subterraneus y el Musurgia universalis escritos por Athanasius Kircher desde 1545. Pero si el parecido entre estos dos dispositivos es sorprendente, el uso como filiación técnica es mucho menos evidente.

De todos modos, es la mitad del XVI °  siglo, en la mitad norte de Italia, la primera mención de los tubos existencia se multiplican. En 1589, Giambattista della Porta lo mencionó en Magia naturalis (libro 29, capítulo 6), y especificó que esta tecnología se utilizó para alimentar una fragua en Nettuno , al sur de Roma .

En 1629, Giovanni Branca publicó Le Machine , en el que ilustró el principio de la pipa de agua utilizada para llevar el viento al hogar de una fragua o para suministrar un órgano . En 1630, Jean-Baptiste Baliani describió el uso del tronco en los Apeninos de Liguria . Es a partir de este momento que el principio del tronco se difundió entre los estudiosos del Renacimiento y que comienza a ser adoptado en casi todo el mundo.

Difusión

Los genoveses , al difundir sus técnicas de herrería dentro de su espacio político-económico, aseguran la rápida propagación del tronco. Estandarizan los procesos, seleccionan y mezclan los minerales , utilizan vencejos más pesados ​​y, a partir de 1620, adoptan el cuerno. En Córcega , la presencia de las forjas genoveses, cada una capaz de producir alrededor de 175  kg de hierro por día, estaba bien establecida ya en 1631. Al mismo tiempo, esta tecnología comenzó a extenderse en España.

El tronco se está extendiendo en la zona Pirineo en la segunda mitad del XVII °  siglo. Su aparición en Ariège tuvo lugar entre 1685 y 1706. La invención alcanzó su apogeo allí, haciéndose inseparable de la fragua catalana . Esta especificidad de los Pirineos Orientales migra hacia el oeste. En el XVIII º  siglo, el tubo se inserta en el Pirineo central. Las actuaciones ligadas a su tecnología incluso llevan a los vizcaínos a pedir a los arienses que mejoren sus instalaciones.

En la zona minera del Harz , el tronco se utiliza por primera vez en 1732. Es introducido por el erudito de Clausthal , Henning Calvör , y se llama Calvörsche Wassertrommel , es decir, el "agua de calvörienne incorrecta". Su uso se está extendiendo rápidamente allí.

En América del Norte , el uso del tubo aparece al final de la XVIII ª  siglo. En el condado de York , Carolina del Sur , los altos hornos ERA y ETNA, que se incendiaron en 1787 y 1788 respectivamente, fueron apagados por una bocina. Los altos hornos , más frecuentes en esta época, también lo utilizan, ya sea la tecnología de origen germánico ( stückofen ) o latina ( fragua catalana ). Así, a partir de 1790, los stückofen fueron alimentados con cuernos en Nueva Jersey . En Mission San Juan Capistrano , California , las excavaciones han revelado dos hornos de sección circular, probablemente alimentados por cuernos, y que también datan de la década de 1790.

En Brasil , el Barón de Eschwege construido hornos de tipo alemán baja al inicio de la XIX ª  siglo en Congonhas . Pero la aparición del tronco en Latinoamérica podría ser anterior a esta fecha.

Abandono

El maletero es una alternativa económica a los fuelles . Pero requiere una altura de cascada mínima de 5  my consume mucha más agua que el fuelle: su bajo rendimiento siempre ha sido evidente. Sin embargo, Orry y Bernage de Saint-Maurice elogiaron los intereses en la década de 1730, asegurando que el aire soplado de forma continua y sin tirones por el tronco permite obtener un hierro más blando que el obtenido con fuelles.

En 1797, Giovanni Battista Venturi aplicó magistralmente su descubrimiento del efecto que lleva su nombre al estudio de un tronco. En el siglo siguiente, la probóscide se estudia científicamente. Los metalúrgicos que identifican y comparan las mejores tecnologías disponibles, como Gruner o Percy , establecen sus características y las analizan científicamente. Pero en esta fecha el baúl ya se considera obsoleto. El exceso de humedad del viento se utiliza para justificar su abandono a partir del final de la XVIII ª  siglo. Otra razón para el abandono también reside en la generalización de la coque de alto horno y la formación de charcos , procesos que no pueden ser alimentados por tubos. Así, en 1814, un informe constató la desaparición de todos los cuernos en el valle de Rives , salvo un tronco de 15  m . Los fuelles , más potentes, más flexibles y de mejor rendimiento, sustituyen.

Si aún se menciona, el uso del tronco sobrevive solo en unos pocos contextos específicos pero en proceso de marginación, principalmente la fragua catalana . Si esto supera a la mayoría de los métodos históricos de producción de acero, alrededor de 1850 comenzó un declive inexorable. Luego, a partir de 1880, el proceso de Thomas comenzó a extenderse. Consagra el gigantismo en la siderurgia y todos los procesos históricos explotados por muchos pequeños centros metalúrgicos rurales desaparecen. La bocina, que no puede competir con la potencia de las máquinas de vapor , acaba de desaparecer al mismo tiempo que la fragua catalana.

Reinvención de Joseph Frizell y Charles Taylor

En 1878, Joseph Palmer Frizell patentó un cuerno capaz de producir aire a alta presión. La separación de aire y agua se realiza en el fondo de un sifón invertido profundo, con el fin de obtener aire a la presión hidrostática generada por la altura manométrica total . También optimiza cuidadosamente la entrada de aire, que dispone en la parte superior de un sifón , donde la presión del agua es menor que la atmosférica, teniendo en cuenta que las burbujas tienen una velocidad relativa de subida de unos 0,3  m / s , mientras que el agua desciende. en la tubería a una velocidad de 1,2  m / s . El rendimiento energético esperado de esta instalación es del 80%.

Veinte años después de esta patente, Charles Havelock Taylor redescubrió independientemente la idea. Construyó sus primeros cuernos de acuerdo con este principio. La entrada de aire consta de una multitud de pequeños tubos y los caudales se pueden reducir a un tercio del valor máximo sin que se penalice significativamente el rendimiento. Si quizás ha tenido un mejor rendimiento, esta aspiración convive con la de Frizell, mejorando continuamente los dos principios, en particular para facilitar el funcionamiento de la instalación y regular el consumo de agua en función de la producción de aire. El rendimiento de los tubos progresa con estas innovaciones, que a menudo son motivo de una nueva patente. Además, Taylor optimiza la descarga del tronco en el cuerpo, para limitar la pérdida de energía ligada al impacto del agua.

El rendimiento superior de estos compresores no se puede atribuir al aumento del flujo de aire sobre el agua, que tiene una relación aire-agua generalmente menor que la unidad. El aumento de presión también promueve una disolución significativa del aire en el agua (20% para el de Ragged Chutes ), siendo el oxígeno más soluble que el nitrógeno. La reducción de la fricción, con un mayor diámetro y una gran longitud del tubo, así como las velocidades controladas, influyen débilmente en la eficiencia. En realidad, es la recuperación de la energía potencial del agua en el cuerpo, que está a la misma presión que el aire, lo que representa el principal interés para mejorar el rendimiento. En el caso de los compresores Taylor, esta energía se utiliza para elevar el brazo de salida del sifón. El rendimiento máximo, que alcanza un máximo del 15% con los mejores tubos convencionales, teóricamente puede superar el 80% con los tubos Frizell-Taylor.

Finalmente, estos compresores presentan algunos intereses prácticos. Aunque el transporte de aire comprimido requiere la instalación de costosas tuberías, el aire es un portador de energía práctico, que puede transportarse sin pérdidas apreciables. También es adecuado para la alimentación de maquinaria pesada. Además, a diferencia de los cuernos tradicionales, la altura de la columna de agua es distinta de la altura de la caída  : así es posible obtener altas presiones con bajas caídas.

Durante el período de 33 años que siguió a la puesta en servicio del primer tubo Taylor en 1896 en la planta textil de Magog en Canadá, se pusieron en servicio al menos 18 tubos, con presiones que iban de 1 a 8,2  barg, caudales de 30 a 51 000  Nm 3 / hy potencias desde 2 hasta 3251  kW .

Invenciones derivadas

En el XX °  siglo, el principio del tubo se vuelve a utilizar en muchas invenciones. En concreto, la capacidad de aspiración de aire por efecto Venturi es aprovechada por la bomba de agua , que se convierte en un equipo muy conocido en 1868 cuando el químico Robert Wilhelm Bunsen comunica sobre su uso para activar la filtración al vacío de un embudo Büchner . Sin embargo, Bunsen reconoce que la autoría de la invención del baúl recae en Hermann Sprengel , más conocido por su invención de la bomba de mercurio que permite obtener un alto vacío. Sprengel declaró entonces que había estado usando la probóscide desde 1860 en su laboratorio pero, convencido por la simplicidad del sistema así como por su proximidad a sugerencias previas de varios físicos, nunca había creído que su invención fuera notable o patentable . Una generalización de la bomba de agua es el eyector , en el que el agua es reemplazada por cualquier fluido o gas.

La otra peculiaridad del cuerno, el flujo gravitacional de una mezcla de aire y agua en un tubo vertical, también se ha reutilizado invirtiendo su función. En el puente aéreo , se utiliza aire comprimido para elevar el agua: también en este caso, es una parte de la bocina cuya función se invierte. Este aire comprimido puede salir él mismo de un tubo Taylor para, por ejemplo, utilizar una cascada de poca altura y gran caudal para elevar una pequeña cantidad de agua a una gran altura. Esta combinación es la bomba de impulso , cuya extrema simplicidad asegura popularidad.

Operación

Principio

La probóscide utiliza el vacío que se produce en el acelerador de un venturi cuando el agua fluye a través de él. El agua, almacenada en un depósito corriente arriba, fluye hacia el "árbol" o el cuerpo de la probóscide. El flujo está regulado por las "trompetas" que más o menos obstruyen la entrada. El estrangulador (llamado "  estrangulador  ") se encuentra justo encima de las tomas de aire, las "aspiradoras". A esta altura, el aire se mezcla con el agua, formando ambos una mezcla heterogénea. Luego cae en la "caja de viento" (llamada "  púa  " si tiene forma troncocónica), donde la mezcla golpea la "mesa" o el "banco". L'eau et l'air étant alors séparés, la première s'écoule par une fente située dans la partie inférieure, tandis que l'air, comprimé par le fluide qui descend dans la colonne, en sort par le dessus dans un conduit, el hombre ".

La altura de caída del cuerno tradicional (es decir catalán, dauphinoise, pirenaico, del Pays de Foix,  etc. ) es de 5 a 8  m . Para alturas de caída más altas, se asocian varios cuernos en cascada.

Según el principio venturi, cuando aumenta la altura entre la superficie del agua en el tanque aguas arriba y el estrangulador, aumenta el flujo de aire aspirado. La presión del aire, hasta cierto punto, es proporcional a la longitud del eje. Para mejorar la eficiencia de la bocina, se debe maximizar la proporción de aire a agua. El aspecto intuitivo de estos principios contrasta con la originalidad de la invención. Por lo tanto, históricamente, el baúl siempre se ha presentado como una invención inteligente, incluso revolucionaria, pero los estudios científicos son más raros.

Sin embargo, la sencillez del tronco esconde la complejidad de los fenómenos físicos involucrados. En particular, el arrastre de aire por el agua en la bomba es un problema de mecánica de fluidos de dos fases que no tuvo una explicación satisfactoria hasta que la teoría de Heinrich Gustav Magnus , formulada en 1851, es confirmada por los experimentos de George Farrer Rodwell ( 1843-1905) en 1864. Al estudiar el comportamiento de las burbujas de aire dentro de una trompa transparente, determina las proporciones ideales de agua / aire.

En 1954, Leroy E. Schulze marca un hito fundamental al sintetizar el conocimiento y la experiencia adquiridos en el funcionamiento de bombas. Luego, en 1976, Warren Rice publicó el primer modelo hidrodinámico completo de un cuerno. Desde entonces, otros investigadores han simplificado o profundizado este modelado físico.

Actuaciones

Engaño original

Se necesita una caída desde cierta altura para establecer fácilmente un tronco: 5 metros se consideran un mínimo. Sin embargo, a bajas alturas de caída, la presión es baja: una caída de 6 metros puede generar una presión de 30 a 70  mm de mercurio , es decir, de 0,41 a 0,95  m de agua o de 40 a 93  mbar , siempre que tenga un volumen de aire / agua. ratio igual a 1. Jean-François d'Aubuisson , quien en 1828 realizó una serie de pruebas en las minas de Rancié , sólo obtuvo un rendimiento energético del 3% con una caída de 5  m . Con una caída de 5,5  m , obtiene eficiencias entre el 7 y el 10%, que aumentan cuando los ajustes favorecen la presión del aire sobre el caudal. Con una caída de 10  m , puede alcanzar incluso una eficiencia del 17%.

Los estudios e intentos de mejora se centran en el perfil de la entrada de agua, el "estrangulamiento", y de las entradas de aire, las "aspiradoras", cuyas complicaciones propuestas regularmente no aportan nada a la eficacia general. En 1875, Emmanuel-Louis Gruner identificó las mejores prácticas. Sus recomendaciones se pueden resumir en algunas características principales:

" Son preferibles los árboles de 5 a 10  m de longitud, que generan una presión correspondiente a aproximadamente el 10% de la longitud del árbol, con una sección de estrangulamiento (0,15  m de diámetro), o el 62% del eje de la sección (0,24  m de diámetro) , para dar un flujo de aire comparable al del agua (alrededor de 60  L / s ) ya una presión de 50-60  mm de mercurio , [permita] un rendimiento entre el 10 y el 12%. La recomendación explícita aparece sobre la velocidad del aire en los conductos, que debe ser inferior a 10  m / s para evitar caídas de presión excesivas, valor de referencia que se utiliza siempre para calcular un aire de conducto aproximado. El uso de una caja de viento sumergida en agua y sin fondo permite evitar pérdidas por evacuación del agua. Además, el banco tiene una forma optimizada para reducir las pérdidas que se producen por el impacto de la columna de agua con el banco. "

- Víctor Fuses i Navarra, Noves aplicacions de la trompa d'aigua dels pirineus

Cuernos tradicionales
Principado de Piombino Pirineos Poullaouen Minas de Rancié
Año 1827 1838 1803 1828
Presión de aire ( mbarg ) 55 (est.) 53 hasta 66 64 48
Flujo de aire (L / s) 94 CAROLINA DEL NORTE 52 200
Altura de caída (m) 6.18 8.8 6.3 9.4
Flujo de agua (L / s) 188 137 82 85
Relación aire / agua 0,50 CAROLINA DEL NORTE 0,63 2,35
Potencia ( W ) 465 (est.) CAROLINA DEL NORTE 327 950
Producir 4% (est.) 10 a 15% 6% 12%
Tubo de taylor

Al disociar la altura de caída de la altura de la columna de agua, el diseño de los compresores Frizell-Taylor permite aire a alta presión independientemente de la altura de la caída. Esta flexibilidad también se refiere a la potencia entregada, que varía desde unos pocos kW hasta varios MW. La potencia, que corresponde al flujo de aire suministrado a una presión fija, se puede obtener mediante cualquier compromiso entre la altura de caída y el flujo de agua. Así, la probóscide de Clausthal usa una caída 15 veces mayor que la de Ainsworth , pero consume 40 veces menos agua. Asimismo, la relación aire / agua puede modularse significativamente: existen relaciones que van desde 0,25 a 3,20.

Uno de los aspectos más destacables de estos nuevos tubos es su rendimiento . Con el sistema Frizell-Taylor, la presión se recupera para elevar el brazo de salida del sifón en lugar de disiparse por impacto en el windbox. La valorización de esta energía puede incrementar el rendimiento hasta en un 80%, como anticipa Frizell en sus primeras descripciones. Los estudios y modelos sistemáticos también permiten evaluar la influencia de varios parámetros:

Pero estas son consideraciones teóricas, que no tienen en cuenta las tecnologías disponibles. Si los modelos modernos muestran que la bocina original en ningún caso puede tener una eficiencia superior al 40%, el rendimiento real rara vez ha alcanzado el 15% debido a las limitaciones en el punto de operación y los malos ajustes debido a la falta de mediciones confiables. Para los compresores Frizell-Taylor, el problema es similar. A pesar de que todavía son inferiores al 85% previsto con técnicas de recuperación de energía XXI °  siglo, los rendimientos anunciados se exageraron considerablemente. El 82% medido durante las pruebas en los últimos tubos construidos por Taylor se cuestionó rápidamente. En primer lugar, los cálculos realizados se realizaron en el contexto de un proceso adiabático . Sin embargo, la íntima mezcla entre agua y aire conduce a un proceso isotérmico (siendo determinante la temperatura del agua ya que la capacidad térmica volumétrica del agua es 3.300 veces mayor que la del aire), menos favorable en términos de rendimiento. Además, a alta presión, la disolución del aire en el agua representa una importante pérdida de energía, que ha sido descuidada sistemáticamente a pesar de la buena comprensión del fenómeno por Frizell.

Tubos de Taylor
Magog Ainsworth Mina Victoria
( municipio de Rockland )		 Pozo de Altensegen
( Clausthal )		 Toboganes irregulares
( cobalto )
Año 1896 1898 1906 1907 1910
Costo ( $ ) CAROLINA DEL NORTE 60.000 440.000 3.750 1,000,000
Presión de aire (barg) 3.6 5.9 8.0 4.9 8.3
Flujo de aire a 1 atm (m³ / s) 0,54 2.3 14,5 0,17 18,2
Altura (m) caída 6,7 32,7 21 99,3 22,1
columna de agua total 43,4 96,6 104,2 149,3 99
Caudal de agua (m³ / s) 2.0 2.8 19,4 0.053 23,0
Relación aire / agua 0,27 0,77 0,75 3,20 0,79
Potencia anunciada (kW) 83 447 3200 49 4.100
Producir anuncio 70,7% 62% 82,3% 77% 82%
isotermo 39,8% 66,4% 64,4% 57,2% 64,7%

Humedad del aire

La íntima mezcla entre agua y aire suscita, desde la génesis del cuerno, el reproche de que el aire que se produce es húmedo, por lo tanto inadecuado para la activación de un hogar o un delicado mecanismo. A pesar de las correcciones, como las curvas en la línea de aire, el aire permanece cargado de agua. Esto a veces incluso llega a fluir al final de la tubería. Aunque algunos partidarios del tronco, como Muthuon temprana XIX °  siglo, cuentan con el efecto beneficioso de la presencia de agua en el aire utilizado en un alto horno , la noción golpea a los profesionales de la derecha dirección que culpan a esta humedad mayor consumo de combustible. En réalité, s'il est exact que l'humidité du vent peut favoriser la réduction du minerai de fer dans un haut fourneau à condition d'être soigneusement dosée, l'eau vésiculaire ne peut qu'être néfaste à l'efficacité d' un horno. Sin embargo, es común que una trompa mal construida o mal ajustada lleve gotas de agua con el viento, lo que no deja de penalizar el fuego de la forja.

Pero, contrariamente a la intuición, el aire producido por una trompa puede ser más seco que el procedente de compresores adiabáticos como los de fuelle o compresores mecánicos . Hacia 1830, una investigación, realizada principalmente en Francia, coincidió en mostrar que el aire del maletero es más seco que el aire ambiente en verano debido a su enfriamiento, y más húmedo en invierno debido a su calentamiento y a su saturación de humedad. La razón es que la humedad específica disminuye cuando aumenta la presión del aire: cuando el aire ha alcanzado la presión de vapor saturado del agua , el agua se condensa a medida que se desarrolla la compresión. Y, en un cuerno, el agua condensada se une a la de la cascada, antes de separarse del aire a la altura del cuerpo.

Disolución de aire en agua.

Según la ley de Henry , la cantidad de gas soluble en agua aumenta con la presión. Ya en 1901, en su libro Water-Power , Frizell evaluó el efecto de la solubilidad del aire en agua y lo identificó claramente como una limitación que penalizaba el rendimiento de los tubos. Pero no lo mide en sus prototipos y limita este inconveniente a los tubos de muy alta presión, estimando que "si  se alcanzaran presiones de 400 a 500  libras ( 27 a 34 bares), esta disolución se volvería paralizante" .

Constante de solubilidad de Henry
Gas H i ( 25  ° C )
Nitrógeno (N 2) 6,4 × 10 −6
Oxígeno (O 2) 1,3 × 10 −5
Argón (Ar) 1,4 × 10 −5
Dióxido de carbono (CO 2) 3,4 × 10 −4

Así, Taylor no tiene en cuenta el fenómeno, considerado insignificante. Fueron los mineros que usaban el aire del maletero de Ragged Chutes , entregando aire a 8,3  bares, quienes fueron los primeros en notar un notable agotamiento de oxígeno en el aire enviado. Luego, las mediciones confirman que contiene solo un 17,7% de oxígeno. Este agotamiento se explica por la mayor solubilidad del oxígeno, siendo la constante de solubilidad de Henry de este gas el doble que la del nitrógeno. Esto era imperceptible en el caso de los tubos primitivos donde la presión era muy cercana a la atmosférica (el contenido de oxígeno cae, como máximo, del 0,3 al 0,4%), pero es un hándicap notable de los compresores de Taylor.

De hecho, Schulze calculó en 1954 que para una bocina con una relación aire / agua de 1, una operación a 0  ° C y una presión de aire entregada de 10 barg, el aire que la bocina disolvió en agua es igual al 25% del volumen. de agua utilizada. En otras palabras: que el 25% del aire comprimido sale por la columna de agua ascendente. “Con pérdidas como ilustra este cálculo, vemos que el rendimiento del 82% obtenido en la mina Victoria está fuera de discusión, siendo el 70% un valor más aceptable dadas las pérdidas por fricción en los conductos” . En la década de 2010, un modelo más fino teniendo en cuenta la disolución recalculó el rendimiento de la mina Victoria y los tubos Ragged Chutes , que cayó del 82% al 64%.

El efecto del arrastre de las burbujas que se reforman en la columna de agua ascendente sería beneficioso, pero sigue siendo difícil de estimar, en particular porque la formación de estas burbujas se produce en parte mucho después de la salida de la trompa. Por lo tanto, es esencial limitar la disolución o capturar este aire cuando se descarga a baja presión en la columna de agua ascendente. De lo contrario, sin modificación, la compresión de aire por los tubos solo es ventajosa para aplicaciones que requieran presiones de 2 a 5 barg, como instalaciones hidrometalúrgicas ( flotación ,  etc. ) o túneles de viento .

Reflujo accidental de aire

El tanque de aire presurizado constituye un almacenamiento de energía de seguridad que se agradece durante los trabajos subterráneos. Pero este almacenamiento también genera un riesgo, en particular en los tubos grandes. El principio del cuerno de Frizell-Taylor implica, de hecho, que el depósito de aire está cerrado en sus dos extremos por dos columnas de agua, cuya pequeña diferencia de altura y densidad permite que el agua circule. Cualquier desequilibrio puede provocar una violenta expulsión de aire por el descenso del agua o por la contrahuella . Tales reflujos de aire, destructivos cuando se elevan a través del descenso del agua, se han producido en los tubos de Taylor, al menos tres veces en el tubo de la mina Victoria y una vez en Ragged Chutes , así como en Suecia (no se observó ningún incidente en Cuernos alemanes).

Por ejemplo, durante el invierno de 1920, la operación de la toma de aire de la mina Victoria fue interrumpida por hielo mezclado con agua ( Brasil ) y la columna de agua ya no pudo desempeñar su función de tapón impermeable. El aire presurizado almacenado en la cámara de separación luego sube bruscamente a lo largo de un descenso de agua, soplando el edificio desde las tomas de aire y arrojando una pieza de hierro fundido de 5 toneladas al aire. En otras ocasiones, es la fiabilidad del sistema de regulación de la entrada de aire, los errores de funcionamiento o la obstrucción del alivio de seguridad lo que está en cuestión.

Construcción

Cuerno tradicional

Los tubos son “fáciles de construir, económicos [y] casi libres de mantenimiento” tan pronto como se dan las condiciones para su uso, es decir, una gran caída. Su simplicidad es evidente cuando se compara con la construcción de fuelles accionados por ruedas de paletas .

Sin embargo, la construcción de un maletero es exigente. En primer lugar, el nivel de agua en la entrada de alcance debe ser perfectamente constante. Por lo tanto, es necesario contar con suministros y salidas de agua complejas, que requieren un conocimiento especial por parte del carpintero o carpintero. En general, la limitación de la estabilidad del nivel del agua conduce a la creación de un depósito río arriba de buen tamaño, que puede contener 10 toneladas de agua. Por lo tanto, debe estar apoyado por puntales o mampostería resistente.

El stranguillon está formado por orificios situados después del estrangulamiento ( países del Dauphiné y catalán ) o por toberas ( Pays de Foix ). Sellar el eje contra fugas de aire requiere una construcción maciza o ajustada. En el país catalán, el método más común consiste en aserrar un árbol por la mitad, vaciar cada parte y luego volver a ensamblarlas con aros de hierro. En el condado de Foix , el árbol se ranura en su longitud, luego se cierra con una tabla, el "delantal". Otros materiales como la madera se pueden utilizar: en la región de Languedoc , en el XIX °  siglo, los tubos eran de piedra, mientras que los prototipos del XXI °  siglo construida con tubos de plástico funcionan a la perfección.

Tubo de taylor

La toma de aire de la trompa moderna ha dado lugar a un gran número de propuestas de mejora y patentes, mientras que la eficacia global de la trompa depende poco de este elemento. Así, la toma de aire del sifón Frizell no es significativamente inferior a los tubos Taylor (que se derivan de las toberas de las bocinas históricas del Pays de Foix). El principio de aspiración tras un estrangulamiento, característico de los tubos catalanes, se retoma en el tubo de Clausthal o se modifica a un eyector en el de Falun , siendo estas dos variantes igualmente satisfactorias.

En efecto, cabe señalar que, habiendo sido retirados los tubos del tronco de la mina Victoria por su sensibilidad a las heladas, no se observó ningún deterioro significativo en el funcionamiento. De hecho, lo que Frizel observó durante sus ensayos en 1880 sobre su prototipo, y que demuestra el investigador alemán Carl Heirich, es que es mejor dar turbulencia al agua que velocidad. Frizell considera preferibles los diseños simples que generan una emulsión por el impacto del agua, quien escribe que "cualquier disposición de tuberías para esta función le parece al autor completamente superflua, e incluso muy cuestionable" .

El descenso del agua de la gran probóscide reemplaza al tronco. Una versión primitiva de este diseño se describe en Alemania en el medio de la XIX XX  siglo, en la que el agua que cae en un pozo de la mina genera una corriente de aire galerías airing . En cualquier caso, el hundimiento de un pozo es caro, lo que explica el reciclaje de los pozos mineros existentes para los compresores más modestos y su uso mayoritario en la industria minera . De hecho, es muy posible que el descenso del agua y el tubo ascendente coexistan en el mismo pozo , siendo las construcciones en forma de U ( Ragged Chutes y la mina Victoria) en última instancia excepcionales. A pesar de estas posibilidades, los investigadores que estudian la rentabilidad de un compresor hidráulico generalmente eluden la cuestión del costo de un pozo. Otra posibilidad es la construcción de la superestructura (cuerno Ainsworth y prototipos del XIX °  siglo). Cuando se reutiliza un pozo de mina viejo, el marco de la cabeza puede llevar la entrada de aire, a veces incluso se eleva (tubos de Grund ).

El plenum del recinto , que combina las funciones de colector de agua y desempañador , puede adoptar una variedad de configuraciones. Si bien es obvio que el impacto de la columna de agua representa una pérdida significativa de energía y que un mal diseño puede complicar la separación entre los dos fluidos, un diseño estudiado en última instancia contribuye poco a la eficiencia general de la instalación. En efecto, el control del impacto mediante formas en sombrero chino (tubos de Taylor), entradas de agua laterales (Dillingen, Peterborough,  etc. ) o desde abajo (Clausthal, Falun,  etc. ), trae menos solo una baja tasa de descenso.

La calidad de la separación aumenta con el tiempo de residencia y, por tanto, con el tamaño del cerramiento. Pero es muy caro crear un subsuelo estrecho y de gran volumen. Las grandes galerías de separación de troncos de la mina Victoria o Ragged Chutes están reservadas para las instalaciones más potentes. En instalaciones pequeñas, este canal suele estar enrollado en espiral (Dillingen, Peterborough,  etc. ). La reutilización de pozos existentes limita el tamaño de los recintos para hacerlos compatibles con las dimensiones del pozo (Grund, Clausthal, Falun,  etc. ). De lo contrario, es todo un choque que se puede transformar en una cámara sellada ( Persberg ). Finalmente, dado que el cerramiento suele estar sumergido, una solución original, pero nunca construida, consistiría en realizar una instalación submarina en lugar de subterránea.

Usos

Engaño original

Las primeras descripciones del tronco, el XVI °  siglo, evocan su uso en la metalurgia , donde es una alternativa económica al fuelle de fragua. El soplado de altos hornos es una aplicación común incluso si, en este caso, la necesidad de viento limita el uso de tubos a unidades pequeñas y requiere el uso de varios tubos asociados en paralelo. Rápidamente, se contemplaron otras aplicaciones, como la alimentación de un órgano, pero en este caso, se disponía de poca información sobre su uso real.

Al comienzo de la XVIII ª  siglo Calvör en Baja Sajonia y D'Aubuisson en Ariege , tratando al mismo tiempo el tubo de ventilación de los trabajos de la mina. La eficiencia del sistema es impresionante, pero el rendimiento del tubo, aunque bastante pequeño, no permite romper las estrechas galerías en funcionamiento  : la aireación de una minería completa no es una opción. Sin embargo, se aprecian las técnicas mineras de la época que requerían la excavación de galerías de drenaje, la compacidad y sencillez de los tubos.

En el XIX °  siglo, el tronco sigue siendo una práctica común en la metalurgia. Caracteriza al alto horno bergamasco y especialmente a la fragua catalana . Si esto supera a muchos métodos históricos de producción de acero, el mérito va más a la calidad de los aceros producidos y la consistencia de las técnicas utilizadas, que al rendimiento del cuerno.

Tubos de taylor

Los tubos de Taylor parecen ser la resurrección de la tecnología. Pero el uso está cambiando: ya no se trata de generar un flujo de aire a baja presión, ideal para avivar la combustión o ventilar un sector, sino de producir aire comprimido , fuente de energía. En este contexto, la nueva bocina es un compresor tan eficiente como simple.

El primer cuerno de Taylor, construido en 1896, se utilizó para alimentar la fábrica textil en Magog , Canadá . La energía que proporciona es más que suficiente para las necesidades de la fábrica y la invención recibe una publicidad significativa. Este cuerno alimentó la fábrica hasta 1953, pero permaneció operativo hasta mediados de la década de 1970, cuando una modernización de las herramientas de la fábrica lo hizo innecesario.

En 1898, Taylor construyó un cuerno para abastecer a unas quince minas en Ainsworth . Esto funciona poco, aunque todavía estaba en funcionamiento en 1911, cuando cerró la cercana mina de cobre de Kaslo. Luego, en 1906, Taylor construyó otro cuerno en Estados Unidos para abastecer a la mina Victoria en la tierra del cobre . Esto costó una suma bastante considerable, $ 440,000  , pero produjo la energía necesaria para las máquinas hasta que la mina cerró en 1921. En 1910, otro tronco de Taylor, en las Ragged Falls del río Montreal , cerca de Cobalt, suministra taladros neumáticos usados ​​en minas cercanas. . Es la bocina más poderosa jamás construida. Funcionó hasta 1981, con solo dos paradas de mantenimiento. Sus restos, propiedad de Canadian Hydro, que utiliza la cascada en una presa hidroeléctrica , aún son visibles.

Los cuernos de Taylor inspiraron a varios constructores, especialmente en Alemania, donde se construyeron dos cuernos de estudio en Dillingen y Siegen . Bajo la dirección del ingeniero Peter Bernstein, se construyeron allí varias bocinas industriales, pero de modesta potencia. Estos reciben mucha menos publicidad que los cuernos gigantes de Taylor. Sin embargo, Haut-Harz es, con la región de los grandes lagos , el lugar donde las probóscide inspiradas en las de Taylor eran más numerosas. Después del discreto tronco del pozo Meding en 1895, se pusieron en servicio al menos 7 instalaciones allí entre 1907 y 1913, todas en pozos mineros conectados a galerías de drenaje: 3 en Bad Grund (pozo de ventilación IV, pozo Knesebeck y Hilfe Gottes -Pozo Achenbach), 3 en Clausthal (pozo Altensegen y Kaiser-Wilhelm, con 2 instalaciones) y el pozo Duc Ernst August en Bockwiese . Fuera de este sector, la tecnología se adopta en Alemania, en particular con un cuerno en el pozo 4 de la mina Victor, así como en el pozo de Holzappel .

El Perú , el inglés , el español y Nigeria también han experimentado la tecnología. Pero todos los autores notan la ausencia de descripción disponible, tanto de sus características como de su historia. Del mismo modo, la bocina de 149  kW construida en 1901 en la gama Cascade , aunque descrita con precisión, puede que nunca se haya construido. Finalmente, algunos cuernos, como el de Dilling y el pozo de Glanzenberg en Siegen , fueron prototipos muy exitosos pero nunca tuvieron utilidad industrial. Cualquiera que sea el criterio utilizado, los autores solo identifican una veintena de cuernos modernos construidos en la continuidad del cuerno de Magog.

Cuernos industriales Taylor (lista no exhaustiva)
Localización Suministro de agua Fecha de puesta en servicio Fecha de finalización Potencia anunciada (kW) Uso de aire comprimido
Magog Río Magog 1896 1953 83,3 Fábrica textil Magog .
Ainsworth Arroyo del café 1898 poco después de 1911 447 Máquinas de 16 minas de plomo y zinc, conectadas a la bocina por una red de 3,44  km de tuberías.
Norwich Río Quinebaug 1902 1929 1.018 Instalaciones anexas a mina, conectadas a la bocina por un oleoducto de 4  millas .
Peterborough Canal de Trent-Severn 1904 1967 33,5 Integrado en el bloqueo de elevación de Peterborough .
Pozo central ( Laurenburg ) Estanque de la presa 1905 CAROLINA DEL NORTE 30,1 Mina de zinc y plomo de Holzappel .
Municipio de Rockland Río ontonágono 1906
1929		 1921
1930		 3200 Maquinaria minera Victoria . Utilizado brevemente en 1929 para la construcción de la presa Victoria.
Pozo de Altensegen ( Clausthal ) Galería Tiefer Georg 1907-1908 CAROLINA DEL NORTE 49,4 Máquinas de una mina de plata.
Bueno Victor 4 ( Castrop-Rauxel ) Agua de la mina bombeada a la mina Victor Hacia 1908 CAROLINA DEL NORTE 34,7 Maquinaria en una mina de carbón .
4 ° conducto de ventilación de la galería Tiefer Georg ( Grund ) Barradines y galerías 1909 1988 49,7 Máquinas de una mina de plata, en sustitución de dos compresores eléctricos.
Toboganes irregulares ( cobalto ) Río montreal 1909 1981 4.100 Máquinas de 25 minas de plata, conectadas al cuerno por una red de 100 millas de tuberías.
Pozo de Knesebeck ( Grund ) Barradines y galerías a través del pozo Wiemannsbucht 1912-1913 1977 43,4 Integrado en una red de distribución de aire comprimido.
Persberg Lagos Horrsjoarna 1915 1954 50 Máquinas de las minas de hierro de Odalfältet en Persberg.
Falun Zanja de Krondiket 1925 poco antes de 1954 60 Maquinaria de la mina de cobre Falun .

Los cuernos se utilizaron principalmente en metalurgia y luego en minería. En estos contextos, es una tecnología probada. Su relevancia para usos más generales, como la industria textil en Magog, demuestra que el uso de cuernos puede considerarse en contextos muy diversos. Un caso moderno consiste en el uso de tubos para la producción de electricidad  : algunos laboratorios están explorando este concepto, con la realización de prototipos.

La compresión isotérmica es una característica interesante: el aire comprimido está frío. Su expansión podría refrigerar o producir aire acondicionado . La otra ventaja de la compresión isotérmica es que requiere un trabajo mínimo. Usando una bomba en lugar de un compresor mecánico que es adiabático puede aumentar la eficiencia de una turbina de gas o ciclo Ericsson motor . Gracias a la excelente eficiencia de las bombas de agua, incluso una bomba de circuito cerrado es más ventajosa que un compresor adiabático.

El inconveniente de disolver el aire puede convertirse en el principal interés de la probóscide. La solubilidad del oxígeno en el agua se ha aprovechado en prototipos de tubos de tratamiento de agua de mina  : al comunicar varios niveles de agua, podemos hacer circular el agua mientras la oxigenamos (generalmente buscamos oxidar el hierro disuelto). Pero la importante solubilidad del CO 2en el agua (53 veces la del nitrógeno y 26 veces la del oxígeno) también es interesante: estas probóscide pueden extraer ácido carbónico de la roca. Este tratamiento neutraliza el agua que es demasiado ácida para ser tratada o rechazada. La capacidad de los tubos para capturar CO 2de hecho buenos candidatos para la captura de este gas de efecto invernadero en el tratamiento de humos industriales.

Revisión y perspectivas

Por mucho criticado que alquila durante su invento a la XVI ª  siglo, el tronco ha visto una resurrección notables gracias a Taylor. Pero la tecnología, con el apoyo de un puñado de empresarios e investigadores, se ha venido abajo y desapareció definitivamente en 1988 con el juicio del tronco de los 4 th ejes de aire a Grund .

Cabe señalar que los tubos Taylor, instalados en zonas frías, tenían una fiabilidad penalizada por la formación de hielo y un rendimiento degradado debido a la alta solubilidad del aire en agua fría. Por lo tanto, se tuvo que instalar un compresor mecánico de 1,5  MW en Ragged Chutes para apoyar la producción de aire comprimido en invierno. Los cuernos alemanes fueron instalados en un entorno más favorable, por investigadores que han estudiado cuidadosamente su funcionamiento. Pero sus actuaciones se vieron limitadas por la modestia de los medios dedicados a su construcción.

Sin embargo, al principio del XXI °  siglo, los tubos son objeto de investigación apoyado. Simulaciones cada vez más precisas confirman que una eficiencia de al menos el 70% es bastante posible. Su bajo costo de construcción y operación, en comparación con los compresores mecánicos o las turbinas hidráulicas , la convierte en una tecnología económicamente viable. Capaces de aprovechar alturas de caída bajas (1,7 metros es suficiente para una bocina moderna), sus usos pueden ser múltiples. Por ejemplo, se prevé que los cuernos aprovechen la energía de las olas .

El aspecto isotérmico de la compresión, así como la disolución del aire en agua, ahora se comprende completamente. La compresión isotérmica es interesante para la producción de aire comprimido a temperatura ambiente: los tubos son un sistema más simple y eficiente que los compresores equipados con intercooler . La disolución se puede limitar aumentando la temperatura y la concentración de soluto del agua. Así, desde la década de 2010, las bocinas de circuito cerrado se han estudiado intensamente, con la producción de modelos digitales , prototipos y un demostrador industrial .

Finalmente, la capacidad de las sondas para separar gases es otra perspectiva prometedora: capaces de capturar oxígeno o dióxido de carbono, pueden contribuir a la remediación del suelo o al tratamiento de humos industriales.

Notas y referencias

Notas

  1. La mitad norte de Italia es, desde el XIII °  siglo, la cuna de muchas innovaciones de acero. Como ejemplo en 1226, Le Filarète describe un proceso de producción de acero en dos etapas en Ferriere , con un alto horno cuyo hierro fundido se vertía dos veces al día en agua para hacer un pellet. El método de Bérgamo también se ha inventado en el XVII °  siglo. Más recientemente, a mediados de la década de 1960, se inventó la planta de acero eléctrica compacta cerca de Brescia .
  2. En los Pirineos, el movimiento de este a oeste de los hombres y las técnicas es una inversión de la dirección de la migración de los herreros, perceptible desde el final de la XVI ª  siglo.
  3. Un alto horno requiere aire a alta presión, capaz de atravesar la carga: solo el fuelle, y luego los pistones, pueden alcanzar la presión suficiente. En cuanto al encharcamiento , requiere que el horno esté en depresión, de modo que los humos sean succionados permanentemente a lo largo del techo del horno de reverberación y no entren en contacto con el metal.
  4. Taylor se habría inspirado en la observación de un río helado en la superficie y alimentado por el aliviadero de una presa. Descubre que el agua vertida lleva consigo una gran cantidad de aire, que queda atrapado bajo la capa de hielo, formando grandes burbujas de aire presurizado.
  5. El barg, o "manómetro de bar", especifica que la presión 0 corresponde a la presión atmosférica. Para obtener más detalles, consulte la barra de artículos (unidad) .
  6. La primera publicación de Beaunier y Gallois, en 1903, estimó el flujo de aire en 208  L / s . Unos años más tarde, este caudal se revisa y se divide por 4, reduciendo correspondientemente la potencia y la eficiencia de la bocina.
  7. Potencia de compresión isotérmica calculada a partir de mediciones. Si la medición de presión no está disponible, se estima arbitrariamente en 55 mbarg. El trabajo es igual a (trabajo molar por compresión isotérmica).
  8. La hipótesis de la compresión adiabática queda demostrada por lo absurdo durante las pruebas realizadas en Alemania: ¡conduce a rendimientos superiores a 1!
  9. A principios de XX XX  siglo, el rendimiento anunciada es generalmente adiabática en lugar de isotérmica y disolviendo el aire en agua se subestima sistemáticamente.
  10. Una observación del tronco de d'Aubuisson describe que "lleva el aire a lo largo de una galería, a una distancia de 387  m , y aunque este aire pasa a través de dos 90  grados codos y dos más de 135  grados, y subir considerablemente a lo largo de su recorrido, sin embargo, pudimos ver goteos de agua escapando del extremo de la tubería. "
  11. Más precisamente, el hidrógeno promueve la reducción a través de las siguientes reacciones:
    • Fe 3 O 4 + H 2 → 3 FeO + H 2 O
    • H 2 O + CO → H 2 + CO 2
    ya sea: Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2
    Así como :
    • FeO + H 2 → Fe + H 2 O
    • H 2 O + CO → H 2 + CO 2
    ya sea: FeO + CO → Fe + CO 2
  12. Construir el árbol de un tronco en piedra está abierto a críticas: el conjunto es sensible a las heladas, y “su solidez puede hacerlas muy caras, incluso dañinas; porque si se derraman, por cualquier accidente, deben ser demolidos y reconstruidos. "
  13. Las innovaciones propuestas (flotador y entrada de aire secundario) han resultado prácticamente inutilizables. El nivel del agua a la salida del cuerpo también es más bajo que el del cuerpo, lo que muestra una mala comprensión del funcionamiento o un mal ajuste de la bocina.
  14. La extensión Great Northern Railway para dar servicio a la mina de cobre Kaslo no está construida y la mina se cierra rápidamente. El cuerno que debería haber abastecido a esta mina se limita entonces al suministro de pequeñas minas vecinas de plomo y zinc, que no aseguran una rentabilidad satisfactoria. Taylor, quien financió los $ 60,000  relacionados con la construcción del maletero, registró una pérdida significativa en este negocio.
  15. Es decir, teniendo en cuenta la inflación, $ 12,5 millones en 2018.
  16. Los autores difieren en la fecha de la parada del tronco: Schulze indica una parada ya en 1901 a favor de la energía hidroeléctrica , lo cual es sorprendente porque una vida útil tan corta habría torpedeado la tecnología con una publicidad abundante y negativa. Millar da una fecha más convencional de 1953 y otros creen que la bocina habría estado operativa hasta mediados de la década de 1970.
  17. compresión isotérmica de 625  m 3 / h a 6  bar. La potencia hidráulica utilizada se sitúa entre 53,7 y 66,9  kW , el caudal de aire entre 600 y 650  m 3 / h , es decir una eficiencia que varía entre el 62 y el 54%.
  18. compresión isotérmica de 750  m 3 / h en 6,5  bar.
  19. Schulze considera que las mediciones y el modelado son tan defectuosos que se niega a informar de las características establecidas.

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Ver también

Bibliografía

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