Noves aplicacions de la trompa d'aigua o trompa dels Pirineus : elevació d'aigua, aire comprimit i generació d'electricitat

Abstract

La trompa d'aigua o trompa dels Pirineus és el giny hidropneumàtic pel qual s'introduïa aire al forn en el procediment català d'obtenció directa del ferro a partir dels seus minerals, o de la Farga Catalana. En aquest treball es recopilen, analitzen i valoren totes les referències bibliogràfiques sobre la trompa d'aigua a què s'ha pogut accedir, des de les més antigues del s. XVI, fins a les més modernes.<br/>Més anllà de les variants geogràfiques, es distingeixen diferents tipus de trompes segons el mecanisme que usen per mesclar l'aire i l'aigua a la capçalera dels arbres. Amb el pas del temps es van anar introduint algunes innovacions que en van millorar el rendiment, com la posada en càrrega de l'escanyall o la immersió de la caixa dels vents.<br/>Es presenten altres aplicacions del mateix principi funcional, com la trompa de buit, el compressor hidràulic d'aire, la bomba d'elevació d'aigua per emulsió amb aire, i altres aplicacions del flux bifàsic.<br/>S'ha construït un model pilot de trompa d'aigua a escala 1:3 en el laboratori del Departament d'Enginyeria Elèctrica (DEE) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i se n'ha modelitzat el funcionament. Segons mostra aquesta anàlisi teòrica, els artesans de les trompes de la farga catalana van aconseguir un aprofitament òptim d'aquest giny. Sense donar una explicació científica als fenòmens que s'hi produeixen, es va arribar a un domini suficient de les trompes per competir durant alguns segles amb la combinació de la roda hidràulica i les manxes. Aquesta màquina té la simplicitat i versatilitat adequades per adaptar-se al procés de la farga catalana, i aconseguir a la vegada que el procés s'adapti a la trompa.<br/>No va ser fins a finals del s. XIX que es va aconseguir augmentar el rendiment d'aquest tipus de màquines fins als límits que fixa la mecànica de fluids, amb el desenvolupament i construcció de compressors hidràulics d'aire de grans dimensions. Amb l'augment de la pressió de l'aire i la recuperació de l'energia de l'aigua de la caixa dels vents, en forma d'energia potencial, s'aconsegueixen rendiments de conversió de l'energia hidràulica a pneumàtica de fins al 85%, valor molt superior al 15% que devien tenir de promig les trompes d'aigua de les fargues. Malgrat els avantatges de tractar-se d'una compressió isotèrmica, apareixen altres fenòmens secundaris com la dissolució de l'aire en l'aigua, que empobreix en oxigen l'aire comprimit.<br/>Amb la intenció de recuperar l'energia del doll d'aigua de la trompa, s'ha construït i assajat un prototip de màquina elèctrica especial amb entreferro inundable que podria integrar la turbina o hèlix a l'interior del rotor. Es tracta d'una màquina d'inducció, amb un alt número de pols, de baixes revolucions, bifàsica, de molt baixa tensió i alta corrent per espira, debanat de simple capa i un conductor per ranura i fase. S'utilitza la connexió Scott per connectar-lo a un sistema de tensions trifàsic, i dos bobines toroïdals per a l'adaptació d'impedàncies. Per primer cop en aquest tipus de màquines s'ha superat el 50% de lliscament en els assajos a temperatura ambient. The water trompe or trompe of the Pyrenees is the hydro-pneumatic widget which was used to introduce air in the bloomery furnace of the Catalan Forge, it's to say, the catalan method for obtaining iron from his ores. In this document, all the founded bibliographic references to the water trompe have been collected, analyzed and evaluated, from the oldest, dating from XVIth century, to the modern ones.<br/>Beyond geographical variations, there are different types of trompes according to the mechanism used to mix air and water at the top of the trees. In process of time, some innovations were introduced that improved performance, as the flooding of the entrance of the trees or the submergence of the windbox.<br/>Other applications of the same functional principle are presented, as the vacuum trompe, the hydraulic air compressor, the airlift water pump, and other applications of two-phase flow.<br/>A pilot model of the water trompe has been made in a 1:3 scale, at the laboratory of the Department of Electric Engineering (DEE) of the Polytechnic University of Catalonia (UPC), and his operation has been modelled. Theoretical analysis shows that the craftsmen of the Catalan Forge trompes achieved optimal use of this widget. Without giving a scientific explanation for phenomena that occur, it was a sufficient command of the trompes to compete for centuries with the combination of a water wheel and the bellows. This machine is enough simple and versatile to adapt to the Catalan Forge process, and at the same time, to achieve adapt the process to the trompe.<br/>It was not until the end of the XIXth century that the performance of such machines was increased to the limits set by fluid mechanics, with the development and construction of large hydraulic air compressors.<br/>With the increased air pressure and the recovery of energy from the water outgoing the windbox, in form of potential energythe winds in the form of potential energy, yields of 85% of energy conversion from hydraulic to pneumatic were achieved, a value much higher than the 15% that trompes of forges could have in average. Despite the advantages of dealing with an isothermal compression, there are other secondary phenomena such as air dissolving in water, with the result of reducing oxigen concentration in compressed air respect atmospheric air.<br/>With the intention of recovering the energy of the water jet of the trompe, a prototype of a special electric machine has been built and tested. It could integrate the turbine or propeller into the rotor, with a flooded air gap. It's an induction type machine, of a high number of poles, low revolutions, biphasic, very low voltage and high current per turn, with a simple layer winding and only one conductor per slot and phase.Scott connection is used to feed the machine from a three-phase system of voltage. Two toroidal coils are used for impedance adaptation. For the fist time on such type of machines, a sliding of 50% has been axceeded in tests at room temperature.