Bomba
Una bomba es un dispositivo que mueve fluidos (líquidos o gases), oa veces lodos, por acción mecánica, típicamente convertida de energía eléctrica en energía hidráulica.
Las bombas mecánicas sirven en una amplia gama de aplicaciones, como bombear agua de pozos, filtración de acuarios, filtración y aireación de estanques, en la industria automotriz para refrigeración de agua e inyección de combustible, en la industria energética para bombear petróleo y gas natural o para operar torres de enfriamiento y otros componentes de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. En la industria médica, las bombas se utilizan para procesos bioquímicos en el desarrollo y la fabricación de medicamentos, y como sustitutos artificiales de partes del cuerpo, en particular, el corazón artificial y las prótesis de pene.
Cuando una bomba contiene dos o más mecanismos de bombeo con fluido dirigido para fluir a través de ellos en serie, se denomina bomba de etapas múltiples. Se pueden utilizar términos como dos etapas o doble etapa para describir específicamente el número de etapas. Por el contrario, una bomba que no se ajusta a esta descripción es simplemente una bomba de una etapa.
En biología, han evolucionado muchos tipos diferentes de bombas químicas y biomecánicas; la biomimética se utiliza a veces en el desarrollo de nuevos tipos de bombas mecánicas.
Tipos
Las bombas mecánicas se pueden sumergir en el fluido que están bombeando o colocarse externamente al fluido.
Las bombas se pueden clasificar por su método de desplazamiento en bombas de desplazamiento positivo, bombas de impulso, bombas de velocidad, bombas de gravedad, bombas de vapor y bombas sin válvulas. Hay tres tipos básicos de bombas: bombas de desplazamiento positivo, centrífugas y de flujo axial. En las bombas centrífugas, la dirección del flujo del fluido cambia noventa grados a medida que fluye sobre un impulsor, mientras que en las bombas de flujo axial, la dirección del flujo no cambia.
Bombas de desplazamiento positivo
Una bomba de desplazamiento positivo hace que un fluido se mueva atrapando una cantidad fija y forzando (desplazando) ese volumen atrapado hacia la tubería de descarga.
Algunas bombas de desplazamiento positivo utilizan una cavidad expansiva en el lado de succión y una cavidad decreciente en el lado de descarga. El líquido fluye hacia la bomba a medida que la cavidad del lado de succión se expande y el líquido sale por la descarga a medida que la cavidad colapsa. El volumen es constante a través de cada ciclo de operación.
Comportamiento y seguridad de las bombas de desplazamiento positivo
Las bombas de desplazamiento positivo, a diferencia de las centrífugas, teóricamente pueden producir el mismo flujo a una velocidad dada (rpm) sin importar la presión de descarga. Por lo tanto, las bombas de desplazamiento positivo son máquinas de flujo constante. Sin embargo, un ligero aumento de las fugas internas a medida que aumenta la presión impide un caudal verdaderamente constante.
Una bomba de desplazamiento positivo no debe operar contra una válvula cerrada en el lado de descarga de la bomba, porque no tiene cabeza de cierre como las bombas centrífugas. Una bomba de desplazamiento positivo que opera contra una válvula de descarga cerrada continúa produciendo flujo y la presión en la línea de descarga aumenta hasta que la línea revienta, la bomba se daña severamente o ambos.
Por lo tanto, es necesaria una válvula de alivio o seguridad en el lado de descarga de la bomba de desplazamiento positivo. La válvula de alivio puede ser interna o externa. El fabricante de la bomba normalmente tiene la opción de suministrar válvulas internas de seguridad o de alivio. La válvula interna generalmente se usa solo como medida de seguridad. Una válvula de alivio externa en la línea de descarga, con una línea de retorno a la línea de succión o al tanque de suministro, brinda mayor seguridad.
Tipos de desplazamiento positivo
Una bomba de desplazamiento positivo se puede clasificar según el mecanismo utilizado para mover el fluido:
- Rotary-type desplazamiento positivo: bomba de engranaje interno o externo, bomba de tornillo, bomba de lóbulo, bloque de lanzadera, vaina flexible o vana deslizante, pistón circunferencial, impulsor flexible, raíces retorcidas helicoidales (por ejemplo, la bomba Wendelkolben) o bombas de anillo líquido
- Tipo de reciprocación desplazamiento positivo: bombas de pistón, bombas de émbolo o bombas de diafragma
- Tipo lineal desplazamiento positivo: bombas de cuerda y bombas de cadena
Bombas rotativas de desplazamiento positivo
Estas bombas mueven fluido mediante un mecanismo giratorio que crea un vacío que captura y aspira el líquido.
Ventajas: Las bombas rotativas son muy eficientes porque pueden manejar fluidos altamente viscosos con caudales más altos a medida que aumenta la viscosidad.
Inconvenientes: La naturaleza de la bomba requiere espacios libres muy estrechos entre la bomba giratoria y el borde exterior, lo que hace que gire a una velocidad lenta y constante. Si las bombas rotatorias funcionan a altas velocidades, los fluidos provocan erosión, lo que eventualmente provoca mayores espacios libres por los que puede pasar el líquido, lo que reduce la eficiencia.
Las bombas rotativas de desplazamiento positivo se dividen en 5 tipos principales:
- Bombas de engranaje – un tipo simple de bomba rotativa donde el líquido se empuja alrededor de un par de engranajes.
- Bombas de tornillo – la forma de los internos de esta bomba es generalmente dos tornillos girando uno contra otro para bombear el líquido
- Bombas rotativas
- Bombas huecas de disco (también conocidas como bombas de discos excéntricos o bombas rotativas huecas), similares a los compresores de desplazamiento, tienen un rotor cilíndrico encapsulado en una carcasa circular. A medida que el rotor orbita y gira hasta cierto punto, atrapa líquido entre el rotor y el casquillo, dibujando el fluido a través de la bomba. Se utiliza para fluidos altamente viscosos como productos derivados del petróleo, y también puede soportar altas presiones de hasta 290 psi.
- Bombas vibratorias o bombas de vibración son similares a los compresores lineales, teniendo el mismo principio operativo. Funcionan usando un pistón cargado de primavera con un electromagnet conectado a corriente AC a través de un diodo. El pistón cargado de primavera es la única parte móvil, y se coloca en el centro del electromagnet. Durante el ciclo positivo de la corriente AC, el diodo permite que la energía pase por el electroimán, generando un campo magnético que mueve el pistón hacia atrás, comprime la primavera y genera succión. Durante el ciclo negativo de la corriente AC, el diodo bloquea el flujo de corriente al electromagnet, dejando que la primavera se descomprima, moviendo el pistón hacia adelante, y bombeando el líquido y generando presión, como una bomba de reciprocación. Debido a su bajo costo, es ampliamente utilizado en máquinas expresivas baratas. Sin embargo, las bombas vibratorias no pueden ser operadas durante más de un minuto, ya que generan grandes cantidades de calor. Los compresores lineales no tienen este problema, ya que pueden ser refrigerados por el fluido de trabajo (que a menudo es un refrigerante).
Bombas alternativas de desplazamiento positivo
Las bombas alternativas mueven el fluido usando uno o más pistones oscilantes, émbolos o membranas (diafragmas), mientras que las válvulas restringen el movimiento del fluido en la dirección deseada. Para que tenga lugar la succión, la bomba primero debe jalar el émbolo en un movimiento hacia afuera para disminuir la presión en la cámara. Una vez que el émbolo empuja hacia atrás, aumentará la presión de la cámara y la presión interna del émbolo abrirá la válvula de descarga y liberará el fluido en la tubería de suministro con un caudal constante y una presión mayor.
Las bombas de esta categoría van desde simples, con un cilindro, hasta, en algunos casos, cuádruples (cuatro) cilindros o más. Muchas bombas de tipo alternativo son dúplex (dos) o tríplex (tres) cilindros. Pueden ser de simple efecto con succión durante una dirección del movimiento del pistón y descarga en la otra, o doble acción con succión y descarga en ambas direcciones. Las bombas pueden ser accionadas manualmente, por aire o vapor, o por una correa accionada por un motor. Este tipo de bomba se usó ampliamente en el siglo XIX, en los primeros días de la propulsión a vapor, como bombas de agua de alimentación de calderas. Ahora, las bombas recíprocas típicamente bombean fluidos altamente viscosos como concreto y aceites pesados, y sirven en aplicaciones especiales que exigen caudales bajos contra una alta resistencia. Las bombas manuales alternativas se usaban ampliamente para bombear agua de los pozos. Las bombas de bicicleta comunes y las bombas de pie para inflar usan acción recíproca.
Estas bombas de desplazamiento positivo tienen una cavidad expansiva en el lado de succión y una cavidad decreciente en el lado de descarga. El líquido fluye hacia las bombas a medida que la cavidad del lado de succión se expande y el líquido sale de la descarga a medida que la cavidad colapsa. El volumen es constante dado cada ciclo de operación y la eficiencia volumétrica de la bomba se puede lograr mediante el mantenimiento de rutina y la inspección de sus válvulas.
Las bombas alternativas típicas son:
- Bombas de contaminantes – un émbolo de reciprocación empuja el fluido a través de una o dos válvulas abiertas, cerrada por succión en el camino de regreso.
- Bombas de diafragma – similar a las bombas de émbolo, donde el émbolo presuriza el aceite hidráulico que se utiliza para flexionar un diafragma en el cilindro de bombeo. Las válvulas de diafragma se utilizan para bombear líquidos peligrosos y tóxicos.
- Bombas de pistón bombas de desplazamiento – generalmente dispositivos simples para bombear pequeñas cantidades de líquido o gel manualmente. El dispensador de jabón de mano común es tal bomba.
- Bombas de pistón radiales - una forma de bomba hidráulica donde los pistones se extienden en dirección radial.
Diversas bombas de desplazamiento positivo
El principio de desplazamiento positivo se aplica en estas bombas:
- Bomba de lóbulo rotativa
- Bomba de cavidad progresiva
- Bomba de engranaje rotativa
- Bomba de pistón
- Bomba de diafragma
- Bomba de tornillo
- Bomba de engranaje
- Bomba hidráulica
- Bomba rotativa
- Bomba peristáltica
- Bomba de cuerda
- Bomba de impulsor flexible
Bomba de engranajes
Esta es la forma más simple de bombas rotativas de desplazamiento positivo. Consiste en dos engranajes engranados que giran en una carcasa ajustada. Los espacios entre dientes atrapan líquido y lo fuerzan alrededor de la periferia exterior. El fluido no regresa a la parte engranada porque los dientes engranan estrechamente en el centro. Las bombas de engranajes tienen un amplio uso en bombas de aceite de motor de automóvil y en varios paquetes de energía hidráulica.
Bomba de tornillo
Una bomba de tornillo es un tipo más complicado de bomba rotativa que utiliza dos o tres tornillos con roscas opuestas; por ejemplo, un tornillo gira en el sentido de las agujas del reloj y el otro en el sentido contrario. Los tornillos están montados en ejes paralelos que tienen engranajes que engranan para que los ejes giren juntos y todo permanezca en su lugar. Los tornillos giran sobre los ejes y conducen el fluido a través de la bomba. Al igual que con otras formas de bombas rotativas, el espacio libre entre las piezas móviles y la carcasa de la bomba es mínimo.
Bomba de cavidad progresiva
Muy utilizada para bombear materiales difíciles, como lodos de depuradora contaminados con partículas grandes, esta bomba consta de un rotor helicoidal, unas diez veces más largo que su ancho. Esto se puede visualizar como un núcleo central de diámetro x con, típicamente, una espiral curva enrollada alrededor de la mitad de espesor x, aunque en realidad se fabrica en una sola fundición. Este eje encaja dentro de un manguito de caucho resistente, con un grosor de pared también típicamente x. A medida que gira el eje, el rotor empuja gradualmente el fluido hacia arriba del manguito de goma. Tales bombas pueden desarrollar presiones muy altas a volúmenes bajos.
Bombas tipo Roots
Nombrada en honor a los hermanos Roots que la inventaron, esta bomba lobular desplaza el fluido atrapado entre dos rotores helicoidales largos, cada uno encajado en el otro cuando son perpendiculares a 90°, girando dentro de una configuración de línea de sellado de forma triangular, ambos en el punto de succión y en el punto de descarga. Este diseño produce un flujo continuo con igual volumen y sin vórtice. Puede funcionar a bajas tasas de pulsación y ofrece el rendimiento suave que requieren algunas aplicaciones.
Las aplicaciones incluyen:
- Compresores de aire industrial de alta capacidad.
- Supercargadores Roots en motores de combustión interna.
- Una sirena de defensa civil, el Thunderbolt de la Corporación Federal de Signal.
Bomba peristáltica
Una bomba peristáltica es un tipo de bomba de desplazamiento positivo. Contiene fluido dentro de un tubo flexible instalado dentro de una carcasa de bomba circular (aunque se han fabricado bombas peristálticas lineales). Una serie de rodillos, zapatas o limpiadores unidos a un rotor comprimen el tubo flexible. A medida que el rotor gira, la parte del tubo bajo compresión se cierra (o ocluye), forzando el fluido a través del tubo. Además, cuando el tubo se abre a su estado natural después del paso de la leva, aspira fluido (restitución) hacia la bomba. Este proceso se denomina peristaltismo y se utiliza en muchos sistemas biológicos, como el tracto gastrointestinal.
Bombas de émbolo
Las bombas de émbolo son bombas alternativas de desplazamiento positivo.
Constan de un cilindro con un émbolo alternativo. Las válvulas de succión y descarga están montadas en la cabeza del cilindro. En la carrera de succión, el émbolo se retrae y las válvulas de succión se abren provocando la succión de fluido hacia el cilindro. En la carrera de avance, el émbolo empuja el líquido fuera de la válvula de descarga. Eficiencia y problemas comunes: con un solo cilindro en las bombas de émbolo, el flujo de fluido varía entre el flujo máximo cuando el émbolo se mueve a través de las posiciones medias y el flujo cero cuando el émbolo está en las posiciones finales. Se desperdicia mucha energía cuando el fluido se acelera en el sistema de tuberías. La vibración y el golpe de ariete pueden ser un problema grave. En general, los problemas se compensan utilizando dos o más cilindros que no funcionan en fase entre sí.
Bombas de émbolo estilo triplex
Las bombas de émbolo triplex utilizan tres émbolos, lo que reduce la pulsación de las bombas de un solo émbolo alternativo. Agregar un amortiguador de pulsaciones en la salida de la bomba puede suavizar aún más la onda de la bomba, o el gráfico de ondas de un transductor de bomba. La relación dinámica del fluido a alta presión y el émbolo generalmente requiere sellos de émbolo de alta calidad. Las bombas de émbolo con una mayor cantidad de émbolos tienen la ventaja de un mayor flujo o un flujo más suave sin un amortiguador de pulsaciones. El aumento de las piezas móviles y la carga del cigüeñal es un inconveniente.
Los lavados de autos a menudo usan estas bombas de émbolo estilo triplex (quizás sin amortiguadores de pulsaciones). En 1968, William Bruggeman redujo el tamaño de la bomba triplex y aumentó la vida útil para que los lavados de autos pudieran usar equipos con huellas más pequeñas. Los sellos duraderos de alta presión, los sellos de baja presión y los sellos de aceite, los cigüeñales endurecidos, las bielas endurecidas, los émbolos de cerámica gruesos y los cojinetes de bolas y rodillos de servicio pesado mejoran la confiabilidad en las bombas triples. Las bombas Triplex ahora se encuentran en una miríada de mercados en todo el mundo.
Las bombas triplex con una vida útil más corta son comunes para el usuario doméstico. Una persona que usa una lavadora a presión doméstica durante 10 horas al año puede estar satisfecha con una bomba que dura 100 horas entre reconstrucciones. Las bombas triplex de grado industrial o de servicio continuo en el otro extremo del espectro de calidad pueden funcionar hasta 2080 horas al año.
La industria de perforación de petróleo y gas utiliza enormes bombas triplex transportadas por semirremolques llamadas bombas de lodo para bombear lodo de perforación, que enfría la broca y transporta los recortes a la superficie. Los perforadores usan bombas triples o incluso quíntuples para inyectar agua y solventes profundamente en el esquisto en el proceso de extracción llamado fracking.
Bombas de doble diafragma accionadas por aire comprimido
Una aplicación moderna de las bombas de desplazamiento positivo son las bombas de doble diafragma impulsadas por aire comprimido. Estas bombas, que funcionan con aire comprimido, son intrínsecamente seguras por diseño, aunque todos los fabricantes ofrecen modelos con certificación ATEX para cumplir con la normativa de la industria. Estas bombas son relativamente económicas y pueden realizar una amplia variedad de tareas, desde bombear agua de diques hasta bombear ácido clorhídrico desde un almacenamiento seguro (dependiendo de cómo se fabrique la bomba: elastómeros/construcción del cuerpo). Estas bombas de doble diafragma pueden manejar fluidos viscosos y materiales abrasivos con un proceso de bombeo suave ideal para transportar medios sensibles al cizallamiento.
Bombas de cuerda
Diseñadas en China como bombas de cadena hace más de 1000 años, estas bombas se pueden fabricar con materiales muy simples: una cuerda, una rueda y un tubo son suficientes para hacer una bomba de cuerda simple. La eficiencia de las bombas de mecate ha sido estudiada por organizaciones de base y las técnicas para fabricarlas y operarlas se han mejorado continuamente.
Bombas de impulso
Las bombas de impulso usan presión creada por gas (generalmente aire). En algunas bombas de impulso, el gas atrapado en el líquido (generalmente agua), se libera y se acumula en algún lugar de la bomba, creando una presión que puede empujar parte del líquido hacia arriba.
Las bombas de impulso convencionales incluyen:
- Bombas hidráulicas de carnero – La energía cinética de un suministro de agua de baja cabeza se almacena temporalmente en un acumulador hidráulico de burbujas de aire, luego utilizado para conducir el agua a una cabeza superior.
- Bombas de pulso – correr con recursos naturales, solo por energía cinética.
- Bombas de transporte aéreo – correr en el aire insertado en la tubería, que empuja el agua hacia arriba cuando las burbujas se mueven hacia arriba
En lugar de un ciclo de acumulación y liberación de gas, la presión puede crearse quemando hidrocarburos. Tales bombas impulsadas por combustión transmiten directamente el impulso de un evento de combustión a través de la membrana de actuación al fluido de la bomba. Para permitir esta transmisión directa, la bomba debe estar hecha casi en su totalidad de un elastómero (por ejemplo, caucho de silicona). Por lo tanto, la combustión hace que la membrana se expanda y, por lo tanto, bombea el fluido fuera de la cámara de bombeo adyacente. La primera bomba blanda impulsada por combustión fue desarrollada por ETH Zurich.
Bombas de ariete hidráulico
Un ariete hidráulico es una bomba de agua impulsada por energía hidroeléctrica.
Admite agua a una presión relativamente baja y un caudal alto y expulsa agua a una cabeza hidráulica más alta y un caudal más bajo. El dispositivo utiliza el efecto del golpe de ariete para desarrollar una presión que eleva una parte del agua de entrada que impulsa la bomba a un punto más alto que donde comenzó el agua.
El ariete hidráulico a veces se usa en áreas remotas, donde hay una fuente de energía hidroeléctrica de baja altura y la necesidad de bombear agua a un destino más elevado que la fuente. En esta situación, el ariete suele ser útil, ya que no requiere una fuente de energía externa que no sea la energía cinética del agua que fluye.
Bombas de velocidad
Las bombas rotodinámicas (o bombas dinámicas) son un tipo de bomba de velocidad en las que se agrega energía cinética al fluido aumentando la velocidad del flujo. Este aumento de energía se convierte en una ganancia de energía potencial (presión) cuando la velocidad se reduce antes o cuando el flujo sale de la bomba hacia la tubería de descarga. Esta conversión de energía cinética en presión se explica por la Primera ley de la termodinámica, o más específicamente por el principio de Bernoulli.
Las bombas dinámicas se pueden subdividir según los medios por los que se logra la ganancia de velocidad.
Este tipo de bombas tienen una serie de características:
- Energía continua
- Conversión de energía agregada para aumentar la energía cinética (aumento de velocidad)
- Conversión de mayor velocidad (energía cinética) a un aumento de la cabeza de presión
Una diferencia práctica entre las bombas dinámicas y de desplazamiento positivo es cómo funcionan en condiciones de válvula cerrada. Las bombas de desplazamiento positivo desplazan físicamente el fluido, por lo que cerrar una válvula aguas abajo de una bomba de desplazamiento positivo produce una acumulación continua de presión que puede causar fallas mecánicas en la tubería o la bomba. Las bombas dinámicas difieren en que se pueden operar de manera segura en condiciones de válvula cerrada (por períodos cortos de tiempo).
Bombas de flujo radial
Esta bomba también se conoce como bomba centrífuga. El fluido entra a lo largo del eje o centro, es acelerado por el impulsor y sale en ángulo recto con el eje (radialmente); un ejemplo es el ventilador centrífugo, que comúnmente se usa para implementar una aspiradora. Otro tipo de bomba de flujo radial es una bomba de vórtice. El líquido en ellos se mueve en dirección tangencial alrededor de la rueda de trabajo. La conversión de la energía mecánica del motor en energía potencial del flujo se produce por medio de múltiples torbellinos, que son excitados por el impulsor en el canal de trabajo de la bomba. Generalmente, una bomba de flujo radial opera a presiones más altas y tasas de flujo más bajas que una bomba de flujo axial o mixto.
Bombas de flujo axial
También se conocen como bombas de todos los fluidos. El fluido es empujado hacia afuera o hacia adentro para mover el fluido axialmente. Operan a presiones mucho más bajas y tasas de flujo más altas que las bombas de flujo radial (centrífugas). Las bombas de flujo axial no pueden acelerarse sin precauciones especiales. Si a un caudal bajo, el aumento de altura total y el alto par asociados con esta tubería significarían que el par de arranque tendría que convertirse en función de la aceleración para toda la masa de líquido en el sistema de tuberías. Si hay una gran cantidad de fluido en el sistema, acelere la bomba lentamente.
Las bombas de flujo mixto funcionan como un compromiso entre las bombas de flujo radial y axial. El fluido experimenta tanto aceleración radial como sustentación y sale del impulsor en algún lugar entre 0 y 90 grados desde la dirección axial. Como consecuencia, las bombas de flujo mixto funcionan a presiones más altas que las bombas de flujo axial y, al mismo tiempo, ofrecen descargas más altas que las bombas de flujo radial. El ángulo de salida del flujo dicta la característica de descarga de cabeza de presión en relación con el flujo radial y mixto.
Bombas de turbina regenerativas
También conocido como arrastre, fricción, bomba de anillo líquido, periférica, tracción, turbulencia o bombas de vórtice, las bombas de turbina regenerativas son una clase de bomba rotodinámica que funciona a altas presiones de cabeza, normalmente de 4 a 20 bares (4,1 a 20,4 kgf/cm2; 58–290 psi).
La bomba tiene un impulsor con varios álabes o paletas que giran en una cavidad. El puerto de succión y los puertos de presión están ubicados en el perímetro de la cavidad y están aislados por una barrera llamada expulsor, que permite solo el canal de punta (líquido entre las cuchillas) para recircular, y fuerza cualquier fluido en el canal lateral (fluido en la cavidad exterior de las palas) a través del puerto de presión. En una bomba de turbina regenerativa, a medida que el fluido gira en espiral repetidamente desde una paleta hacia el canal lateral y regresa a la paleta siguiente, la energía cinética se imparte a la periferia, por lo que la presión se acumula con cada espiral, de manera similar a un soplador regenerativo.
Como las bombas de turbina regenerativa no pueden bloquearse con vapor, se aplican comúnmente al transporte de fluidos volátiles, calientes o criogénicos. Sin embargo, como las tolerancias suelen ser estrechas, son vulnerables a los sólidos o partículas que provocan atascos o un desgaste rápido. La eficiencia suele ser baja y la presión y el consumo de energía suelen disminuir con el caudal. Además, la dirección de bombeo se puede invertir invirtiendo la dirección de giro.
Bombas de canal lateral
Una bomba de canal lateral tiene un disco de succión, un impulsor y un disco de descarga.
Bomba de chorro eductor
Esto utiliza un chorro, a menudo de vapor, para crear una presión baja. Esta baja presión succiona fluido y lo impulsa a una región de mayor presión.
Bombas de gravedad
Las bombas de gravedad incluyen el sifón y la fuente de Heron. El pistón hidráulico también se denomina a veces bomba de gravedad; en una bomba de gravedad, el agua es levantada por la fuerza gravitacional y se llama bomba de gravedad.
Bombas de vapor
Las bombas de vapor han sido durante mucho tiempo principalmente de interés histórico. Incluyen cualquier tipo de bomba accionada por una máquina de vapor y también bombas sin pistón como la de Thomas Savery o la bomba de vapor Pulsometer.
Recientemente ha resurgido el interés por las bombas de vapor solares de baja potencia para su uso en el riego de pequeños agricultores en los países en desarrollo. Anteriormente, las máquinas de vapor pequeñas no han sido viables debido a las crecientes ineficiencias a medida que las máquinas de vapor disminuyen de tamaño. Sin embargo, el uso de materiales de ingeniería modernos junto con configuraciones de motor alternativas ha significado que estos tipos de sistemas ahora son una oportunidad rentable.
Bombas sin válvula
El bombeo sin válvulas ayuda en el transporte de fluidos en varios sistemas biomédicos y de ingeniería. En un sistema de bombeo sin válvulas, no hay válvulas (u oclusiones físicas) para regular la dirección del flujo. Sin embargo, la eficiencia de bombeo de fluidos de un sistema sin válvulas no es necesariamente menor que la que tiene válvulas. De hecho, muchos sistemas dinámicos de fluidos en la naturaleza y la ingeniería se basan más o menos en el bombeo sin válvulas para transportar los fluidos de trabajo en ellos. Por ejemplo, la circulación sanguínea en el sistema cardiovascular se mantiene hasta cierto punto incluso cuando fallan las válvulas del corazón. Mientras tanto, el corazón vertebrado embrionario comienza a bombear sangre mucho antes del desarrollo de cámaras y válvulas perceptibles. Similar a la circulación sanguínea en una dirección, los sistemas respiratorios de las aves bombean aire en una dirección en pulmones rígidos, pero sin ninguna válvula fisiológica. En microfluidos, se han fabricado bombas de impedancia sin válvulas y se espera que sean particularmente adecuadas para manejar biofluidos sensibles. Las impresoras de inyección de tinta que funcionan según el principio del transductor piezoeléctrico también utilizan bombeo sin válvulas. La cámara de la bomba se vacía a través del chorro de impresión debido a la reducción de la impedancia del flujo en esa dirección y se vuelve a llenar por acción capilar.
Reparaciones de bombas
Examinar los registros de reparación de bombas y el tiempo medio entre fallas (MTBF) es de gran importancia para los usuarios de bombas responsables y conscientes. En vista de ese hecho, el prefacio del Manual del usuario de bombas de 2006 alude a la "falla de la bomba" Estadísticas. Por conveniencia, estas estadísticas de fallas a menudo se traducen en MTBF (en este caso, la vida útil instalada antes de la falla).
A principios de 2005, Gordon Buck, ingeniero jefe de operaciones de campo de John Crane Inc. en Baton Rouge, Luisiana, examinó los registros de reparación de varias refinerías y plantas químicas para obtener datos significativos sobre la confiabilidad de las bombas centrífugas. En la encuesta se incluyeron un total de 15 plantas operativas con cerca de 15.000 bombas. La más pequeña de estas plantas tenía unas 100 bombas; varias plantas tenían más de 2000. Todas las instalaciones estaban ubicadas en los Estados Unidos. Además, considerados como "nuevos", otros como "renovados" y otros más como "establecidos". Muchas de estas plantas, pero no todas, tenían un acuerdo de alianza con John Crane. En algunos casos, el contrato de alianza incluía tener un técnico o ingeniero de John Crane Inc. en el sitio para coordinar varios aspectos del programa.
Sin embargo, no todas las plantas son refinerías y en otros lugares se producen resultados diferentes. En las plantas químicas, históricamente las bombas han sido "desechables" elementos ya que el ataque químico limita la vida. Las cosas han mejorado en los últimos años, pero el espacio algo restringido disponible en "antiguo" Los prensaestopas estandarizados DIN y ASME imponen límites en el tipo de sello que se ajusta. A menos que el usuario de la bomba actualice la cámara del sello, la bomba solo admite versiones más compactas y simples. Sin esta mejora, la vida útil en las instalaciones químicas es generalmente alrededor del 50 al 60 por ciento de los valores de la refinería.
El mantenimiento no programado suele ser uno de los costos de propiedad más importantes, y las fallas de los sellos mecánicos y los cojinetes se encuentran entre las principales causas. Tenga en cuenta el valor potencial de seleccionar bombas que cuestan más inicialmente, pero que duran mucho más entre reparaciones. El MTBF de una mejor bomba puede ser de uno a cuatro años más que el de su contraparte no mejorada. Considere que los valores promedio publicados de fallas de bombas evitadas oscilan entre US$2600 y US$12,000. Esto no incluye los costos de oportunidad perdida. Se produce un incendio en la bomba por cada 1000 fallas. Tener menos fallas en las bombas significa tener menos incendios destructivos en las bombas.
Como se ha señalado, una falla típica de una bomba, según los informes reales del año 2002, cuesta en promedio US$5.000. Esto incluye los costos de materiales, piezas, mano de obra y gastos generales. Extender el MTBF de una bomba de 12 a 18 meses ahorraría US$1667 por año, lo que podría ser mayor que el costo de mejorar la confiabilidad de la bomba centrífuga.
Aplicaciones
Las bombas se utilizan en toda la sociedad para una variedad de propósitos. Las primeras aplicaciones incluyen el uso de molinos de viento o de agua para bombear agua. Hoy en día, la bomba se utiliza para riego, suministro de agua, suministro de gasolina, sistemas de aire acondicionado, refrigeración (generalmente llamado compresor), movimiento de productos químicos, movimiento de aguas residuales, control de inundaciones, servicios marítimos, etc.
Debido a la amplia variedad de aplicaciones, las bombas tienen una plétora de formas y tamaños: desde muy grandes hasta muy pequeñas, desde el manejo de gas hasta el manejo de líquido, desde alta presión a baja presión y de alto volumen a bajo volumen.
Cebado de una bomba
Normalmente, una bomba de líquido no puede simplemente aspirar aire. La línea de alimentación de la bomba y el cuerpo interno que rodea el mecanismo de bombeo primero deben llenarse con el líquido que requiere bombeo: un operador debe introducir líquido en el sistema para iniciar el bombeo. Esto se denomina cebado de la bomba. La pérdida de cebado generalmente se debe a la entrada de aire en la bomba. Las holguras y relaciones de desplazamiento en bombas para líquidos, ya sean delgados o más viscosos, generalmente no pueden desplazar el aire debido a su compresibilidad. Este es el caso de la mayoría de las bombas de velocidad (rotodinámicas), por ejemplo, las bombas centrífugas. Para tales bombas, la posición de la bomba siempre debe ser más baja que el punto de succión; de lo contrario, la bomba debe llenarse manualmente con líquido o debe usarse una bomba secundaria hasta que se elimine todo el aire de la línea de succión y la carcasa de la bomba.
Las bombas de desplazamiento positivo, sin embargo, tienden a tener un sellado suficientemente hermético entre las piezas móviles y la carcasa o carcasa de la bomba para que puedan describirse como autoaspirantes. Dichas bombas también pueden servir como bombas de cebado, llamadas así cuando se utilizan para satisfacer esa necesidad de otras bombas en lugar de la acción realizada por un operador humano.
Bombas como suministros públicos de agua
Un tipo de bomba que alguna vez fue común en todo el mundo fue una bomba de agua manual o 'bomba de jarra'. Por lo general, se instalaba sobre pozos de agua comunitarios en los días anteriores a los suministros de agua entubada.
En partes de las Islas Británicas, a menudo se la llamaba bomba parroquial. Aunque tales bombas comunitarias ya no son comunes, la gente todavía usaba la expresión bomba parroquial para describir un lugar o foro donde se discuten asuntos de interés local.
Debido a que el agua de las bombas de jarra se extrae directamente del suelo, es más propensa a la contaminación. Si dicha agua no se filtra y purifica, su consumo puede provocar enfermedades gastrointestinales u otras enfermedades transmitidas por el agua. Un caso notorio es el brote de cólera de 1854 en Broad Street. En ese momento no se sabía cómo se transmitía el cólera, pero el médico John Snow sospechó que el agua estaba contaminada e hizo quitar la manija de la bomba pública que sospechaba; el brote luego disminuyó.
Las bombas comunitarias manuales modernas se consideran la opción económica más sostenible para el suministro de agua segura en entornos de escasos recursos, a menudo en áreas rurales de países en desarrollo. Una bomba manual abre el acceso a aguas subterráneas más profundas que a menudo no están contaminadas y también mejora la seguridad de un pozo al proteger la fuente de agua de baldes contaminados. Las bombas como la bomba Afridev están diseñadas para ser baratas de construir e instalar y fáciles de mantener con piezas simples. Sin embargo, la escasez de repuestos para este tipo de bombas en algunas regiones de África ha disminuido su utilidad para estas áreas.
Sellado de aplicaciones de bombeo multifásico
Las aplicaciones de bombeo multifásicas, también conocidas como trifásicas, han crecido debido al aumento de la actividad de extracción de petróleo. Además, la economía de la producción multifase es atractiva para las operaciones upstream, ya que conduce a instalaciones en el campo más simples y pequeñas, costos de equipo reducidos y tasas de producción mejoradas. En esencia, la bomba multifásica puede adaptarse a todas las propiedades de la corriente de fluido con una sola pieza de equipo, que ocupa menos espacio. A menudo, se instalan en serie dos bombas multifásicas más pequeñas en lugar de tener una sola bomba masiva.
Tipos y características de las bombas multifásicas
Helicoaxial (centrífuga)
(feminine)Una bomba rotodinámica con un solo eje que requiere dos sellos mecánicos, esta bomba utiliza un impulsor axial de tipo abierto. A menudo se la denomina bomba Poseidón y puede describirse como un cruce entre un compresor axial y una bomba centrífuga.
Doble husillo (desplazamiento positivo)
La bomba de doble tornillo está construida con dos tornillos entrelazados que mueven el fluido bombeado. Las bombas de doble tornillo se utilizan a menudo cuando las condiciones de bombeo contienen fracciones de alto volumen de gas y condiciones de entrada fluctuantes. Se requieren cuatro sellos mecánicos para sellar los dos ejes.
Cavidad progresiva (desplazamiento positivo)
Cuando la aplicación de bombeo no es adecuada para una bomba centrífuga, se utiliza una bomba de cavidad progresiva en su lugar. Las bombas de cavidad progresiva son tipos de un solo tornillo que se utilizan típicamente en pozos poco profundos o en la superficie. Esta bomba se utiliza principalmente en aplicaciones de superficie donde el fluido bombeado puede contener una cantidad considerable de sólidos como arena y suciedad. La eficiencia volumétrica y la eficiencia mecánica de una bomba de cavidad progresiva aumentan a medida que aumenta la viscosidad del líquido.
Eléctrica sumergible (centrífuga)
(feminine)Estas bombas son básicamente bombas centrífugas multietapa y se usan ampliamente en aplicaciones de pozos petroleros como método de levantamiento artificial. Estas bombas suelen especificarse cuando el fluido bombeado es principalmente líquido.
Tanque de inercia A menudo se instala un tanque de compensación aguas arriba de la boquilla de succión de la bomba en caso de un flujo lento. El tanque de compensación rompe la energía de la babosa de líquido, suaviza cualquier fluctuación en el flujo entrante y actúa como una trampa de arena.
Como su nombre lo indica, las bombas multifásicas y sus sellos mecánicos pueden enfrentar una gran variación en las condiciones de servicio, como cambios en la composición del fluido del proceso, variaciones de temperatura, presiones de operación altas y bajas y exposición a medios abrasivos/erosivos. El desafío es seleccionar la disposición adecuada del sello mecánico y el sistema de soporte para garantizar la máxima vida útil del sello y su eficacia general.
Especificaciones
Las bombas se clasifican comúnmente por potencia, tasa de flujo volumétrico, presión de salida en metros (o pies) de cabeza, succión de entrada en pies (o metros) de succión de cabeza. La cabeza se puede simplificar como el número de pies o metros que la bomba puede subir o bajar una columna de agua a la presión atmosférica.
Desde el punto de vista del diseño inicial, los ingenieros a menudo usan una cantidad denominada velocidad específica para identificar el tipo de bomba más adecuado para una combinación particular de caudal y cabeza.
Potencia de bombeo
La potencia impartida a un fluido aumenta la energía del fluido por unidad de volumen. Por tanto, la relación de potencia es entre la conversión de la energía mecánica del mecanismo de la bomba y los elementos de fluido dentro de la bomba. En general, esto se rige por una serie de ecuaciones diferenciales simultáneas, conocidas como ecuaciones de Navier-Stokes. Sin embargo, se puede usar una ecuación más simple que relaciona solo las diferentes energías en el fluido, conocida como ecuación de Bernoulli. Por lo tanto, la potencia, P, requerida por la bomba:
- P=Δ Δ pQ.. {displaystyle P={frac {Delta pQ}{eta }
donde Δp es el cambio en la presión total entre la entrada y la salida (en Pa), y Q, el caudal volumétrico del fluido se da en m3/s. La presión total puede tener componentes gravitacionales, de presión estática y de energía cinética; es decir, la energía se distribuye entre el cambio en la energía potencial gravitacional del fluido (subiendo o bajando una colina), el cambio en la velocidad o el cambio en la presión estática. η es la eficiencia de la bomba, y puede estar dada por la información del fabricante, como en forma de una curva de la bomba, y normalmente se deriva de cualquier simulación de dinámica de fluidos (es decir, soluciones a Navier-Stokes para la bomba en particular). geometría), o mediante pruebas. La eficiencia de la bomba depende de la configuración y las condiciones de funcionamiento de la bomba (como la velocidad de rotación, la densidad y la viscosidad del fluido, etc.)
- Δ Δ p=()v22− − v12)2+Δ Δ zg+Δ Δ pstatic*** *** {displaystyle Delta p={(v_{2}{2}-v_{1}{2}over 2}+ Delta zg+{ Delta p_{mathrm {static} over rho }
Para un típico "bombeo" configuración, el trabajo se imparte sobre el fluido y, por lo tanto, es positivo. Para el fluido que imparte el trabajo sobre la bomba (es decir, una turbina), el trabajo es negativo. La potencia necesaria para accionar la bomba se determina dividiendo la potencia de salida por la eficiencia de la bomba. Además, esta definición abarca bombas sin partes móviles, como un sifón.
Eficiencia
La eficiencia de la bomba se define como la relación entre la potencia impartida al fluido por la bomba en relación con la potencia suministrada para accionar la bomba. Su valor no es fijo para una bomba determinada, la eficiencia es función del caudal y por tanto también de la altura de trabajo. Para las bombas centrífugas, la eficiencia tiende a aumentar con el caudal hasta un punto medio del rango operativo (eficiencia máxima o punto de mejor eficiencia (BEP)) y luego disminuye a medida que aumentan los caudales. Los datos de rendimiento de la bomba como estos generalmente los proporciona el fabricante antes de seleccionar la bomba. La eficiencia de la bomba tiende a disminuir con el tiempo debido al desgaste (por ejemplo, el aumento de las holguras a medida que los impulsores se reducen de tamaño).
Cuando un sistema incluye una bomba centrífuga, una cuestión de diseño importante es hacer coincidir la característica de pérdida de carga-flujo con la bomba para que funcione en el punto de máxima eficiencia o cerca de él.
La eficiencia de la bomba es un aspecto importante y las bombas deben probarse periódicamente. La prueba de bomba termodinámica es un método.
Protección de caudal mínimo
La mayoría de las bombas grandes tienen un requisito de flujo mínimo por debajo del cual la bomba puede dañarse por sobrecalentamiento, desgaste del impulsor, vibración, falla del sello, daño del eje impulsor o bajo rendimiento. Un sistema de protección de caudal mínimo garantiza que la bomba no funcione por debajo del caudal mínimo. El sistema protege la bomba incluso si está cerrada o en vacío, es decir, si la línea de descarga está completamente cerrada.
El sistema de flujo mínimo más simple es una tubería que va desde la línea de descarga de la bomba hasta la línea de succión. Esta línea está equipada con una placa de orificio dimensionada para permitir que pase el flujo mínimo de la bomba. La disposición asegura que se mantenga el flujo mínimo, aunque es un desperdicio ya que recicla fluido incluso cuando el flujo a través de la bomba excede el flujo mínimo.
Un sistema más sofisticado, pero más costoso (ver diagrama) comprende un dispositivo de medición de flujo (FE) en la descarga de la bomba que envía una señal a un controlador de flujo (FIC) que acciona una válvula de control de flujo (FCV) en la línea de reciclaje Si el caudal medido supera el caudal mínimo, la FCV se cierra. Si el caudal medido cae por debajo del caudal mínimo, la FCV se abre para mantener el caudal mínimo.
A medida que se reciclan los fluidos, la energía cinética de la bomba aumenta la temperatura del fluido. Para muchas bombas, esta energía térmica adicional se disipa a través de las tuberías. Sin embargo, para bombas industriales grandes, como bombas de oleoductos, se proporciona un enfriador de reciclaje en la línea de reciclaje para enfriar los fluidos a la temperatura de succión normal. Alternativamente, los fluidos reciclados pueden devolverse aguas arriba del enfriador de exportación en una refinería de petróleo, una terminal petrolera o una instalación en alta mar.