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Una pequeña bomba eléctrica.
Una gran bomba accionada eléctricamente para obras hidráulicas cerca de Hengsteysee , Alemania

Una bomba es un dispositivo que mueve fluidos ( líquidos o gases ), o en ocasiones lodos , por acción mecánica, que normalmente se convierte de energía eléctrica en energía hidráulica. Las bombas se pueden clasificar en tres grupos principales de acuerdo con el método que utilizan para mover el fluido: bombas de elevación directa , desplazamiento y gravedad . [1]

Las bombas funcionan mediante algún mecanismo (típicamente alternativo o rotativo ) y consumen energía para realizar el trabajo mecánico que mueve el fluido. Las bombas funcionan a través de muchas fuentes de energía, incluida la operación manual, la electricidad , los motores o la energía eólica , y vienen en muchos tamaños, desde microscópicas para su uso en aplicaciones médicas hasta grandes bombas industriales.

Las bombas mecánicas sirven en una amplia gama de aplicaciones, como bombeo de agua de pozos , filtrado de acuarios , filtrado y aireación de estanques , en la industria automotriz para enfriamiento de agua e inyección de combustible , en la industria energética para bombear petróleo y gas natural o para operar enfriamiento. torres y otros componentes de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado . En la industria médica, las bombas se utilizan para procesos bioquímicos en el desarrollo y fabricación de medicamentos y como sustitutos artificiales de partes del cuerpo, en particular el corazón artificial y las prótesis de pene .

Cuando una carcasa contiene solo un impulsor giratorio , se denomina bomba de una etapa. Cuando una carcasa contiene dos o más impulsores giratorios, se denomina bomba de dos o más etapas.

En biología, han evolucionado muchos tipos diferentes de bombas químicas y biomecánicas ; La biomimetismo se utiliza a veces en el desarrollo de nuevos tipos de bombas mecánicas.

Tipos [ editar ]

Las bombas mecánicas pueden sumergirse en el fluido que están bombeando o colocarse fuera del fluido.

Las bombas pueden ser clasificados por su método de desplazamiento en bombas de desplazamiento positivo , bombas de impulsión , 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 el impulsor, mientras que en las bombas de flujo axial la dirección del flujo no cambia. [2]

Bombas de desplazamiento positivo[ editar ]

Partes internas de la bomba de lóbulos

Una bomba de desplazamiento positivo hace que un fluido se mueva atrapando una cantidad fija y forzando (desplazando) ese volumen atrapado en 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 de la descarga a medida que la cavidad colapsa. El volumen es constante en cada ciclo de funcionamiento.

Comportamiento y seguridad de la bomba de desplazamiento positivo [ editar ]

Las bombas de desplazamiento positivo, a diferencia de las centrífugas , teóricamente pueden producir el mismo flujo a una velocidad determinada (rpm) sin importar la presión de descarga. Por 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 evita 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 cabezal 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 estalla, la bomba está gravemente dañada o ambas cosas.

Por lo tanto, es necesaria una válvula de seguridad o de alivio 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 de seguridad o de alivio internas. La válvula interna generalmente se usa solo como precaución 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, proporciona una mayor seguridad tanto para las personas como para el equipo.

Tipos de desplazamiento positivo [ editar ]

Una bomba de desplazamiento positivo se puede clasificar según el mecanismo utilizado para mover el fluido:

  • De tipo rotativo de desplazamiento positivo: interno o externo bomba de engranajes , bomba de tornillo , bomba de lóbulos , el bloque lanzadera, aleta flexible o paleta deslizante , pistón circunferencial, de impulsor flexible , raíces retorcidas helicoidales (por ejemplo, la bomba Wendelkolben) o líquido-anillo bombas
  • Desplazamiento positivo de tipo alternativo : bombas de pistón , bombas de émbolo o bombas de diafragma
  • Desplazamiento positivo de tipo lineal : bombas de cuerda y bombas de cadena
Bombas rotativas de desplazamiento positivo [ editar ]
Bomba de paletas rotativas

Estas bombas mueven el fluido mediante un mecanismo giratorio que crea un vacío que captura y aspira el líquido. [3]

Ventajas: Las bombas rotativas son muy eficientes [4] porque pueden manejar fluidos muy viscosos con mayores caudales a medida que aumenta la viscosidad. [5]

Inconvenientes: La naturaleza de la bomba requiere espacios muy estrechos entre la bomba giratoria y el borde exterior, lo que la hace girar a una velocidad lenta y constante. Si las bombas rotativas se operan a altas velocidades, los fluidos causan erosión, lo que eventualmente ocasiona holguras agrandadas por las que puede pasar el líquido, lo que reduce la eficiencia.

Las bombas rotativas de desplazamiento positivo se dividen en 5 tipos principales:

  • Bombas de engranajes : un tipo simple de bomba rotativa donde el líquido se empuja alrededor de un par de engranajes.
  • Bombas de tornillo : la forma de los componentes internos de esta bomba suele ser de dos tornillos que giran uno contra el otro para bombear el líquido.
  • Bombas de paletas rotativas
  • Las bombas de disco hueco (también conocidas como bombas de disco excéntrico o bombas de disco rotativo hueco), similares a los compresores scroll , tienen un rotor cilíndrico encerrado en una carcasa circular. A medida que el rotor orbita y gira hasta cierto punto, atrapa líquido entre el rotor y la carcasa, lo que lo extrae 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. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]
  • Las bombas vibratorias o bombas de vibración son similares a los compresores lineales y tienen el mismo principio de funcionamiento. Funcionan mediante el uso de un pistón cargado por resorte con un electroimán conectado a la corriente alterna a través de un diodo. El pistón cargado por resorte es la única parte móvil y se coloca en el centro del electroimán. Durante el ciclo positivo de la corriente alterna, el diodo permite que la energía pase a través del electroimán, generando un campo magnético que mueve el pistón hacia atrás, comprimiendo el resorte y generando succión. Durante el ciclo negativo de la corriente alterna, el diodo bloquea el flujo de corriente al electroimán, dejando que el resorte se descomprima, moviendo el pistón hacia adelante y bombeando el fluido y generando presión, como una bomba alternativa.. Debido a su bajo costo, se usa ampliamente en máquinas de café expreso económicas . Sin embargo, las bombas vibratorias no pueden funcionar durante más de un minuto, ya que generan grandes cantidades de calor. Los compresores lineales no tienen este problema, ya que pueden enfriarse con el fluido de trabajo (que a menudo es un refrigerante). [13] [14]
Bombas recíprocas de desplazamiento positivo [ editar ]
Bomba manual simple
Bomba de "jarra" antigua (c. 1924) en la escuela de colores en Alapaha, Georgia, EE. UU.

Las bombas recíprocas mueven el fluido utilizando 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 tirar del émbolo hacia afuera para disminuir la presión en la cámara. Una vez que el émbolo empuja hacia atrás, aumentará la cámara de presión y la presión hacia adentro del émbolo abrirá la válvula de descarga y liberará el fluido en la tubería de suministro a alta velocidad.

Las bombas de esta categoría varían desde una cara , con un cilindro, hasta en algunos casos cuatro (cuatro) cilindros o más. Muchas bombas de tipo de movimiento alternativo son duplex (dos) o triplex (tres) cilindro. Pueden ser de acción simple con succión durante una dirección del movimiento del pistón y descarga en la otra, o de 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 utilizó ampliamente en el siglo XIX, en los primeros días de la propulsión de vapor, como bombas de agua de alimentación de calderas. Ahora las bombas recíprocas bombean típicamente fluidos altamente viscosos como concreto y aceites pesados, y sirven en aplicaciones especiales que exigen tasas de flujo bajas contra alta resistencia. Las bombas manuales recíprocas se usaban ampliamente para bombear agua de los pozos. Las bombas de bicicleta comunes y las bombas de pie para inflar utilizan una 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 en 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. [15]

Las bombas recíprocas típicas son:

  • Bombas de émbolo : un émbolo alternativo empuja el fluido a través de una o dos válvulas abiertas, cerradas por succión en el camino de regreso.
  • Bombas de diafragma : similares 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 fluidos tóxicos y peligrosos.
  • Bombas de pistón bombas de desplazamiento : generalmente dispositivos simples para bombear pequeñas cantidades de líquido o gel manualmente. El dispensador de jabón de manos común es una bomba de este tipo.
  • Bombas de pistones radiales : una forma de bomba hidráulica en la que los pistones se extienden en dirección radial.
Varias bombas de desplazamiento positivo [ editar ]

El principio de desplazamiento positivo se aplica en estas bombas:

  • Bomba de lóbulos rotativos
  • Bomba de cavidad progresiva
  • Bomba de engranajes rotativos
  • Bomba de pistón
  • Bomba de diafragma
  • Bomba de tornillo
  • Bomba de engranajes
  • Bomba hidráulica
  • Bomba de paletas rotativas
  • Bomba peristáltica
  • Bomba de cuerda
  •  Bomba de impulsor flexible
Bomba de engranajes [ editar ]
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 dentarios atrapan el líquido y lo fuerzan alrededor de la periferia exterior. El líquido no regresa a la parte engranada, porque los dientes encajan estrechamente en el centro. Las bombas de engranajes tienen un amplio uso en las bombas de aceite de motor de automóvil y en varios grupos de energía hidráulica .

Bomba de tornillo [ editar ]
Bomba de tornillo

Una bomba de tornillo es un tipo más complicado de bomba rotativa que usa dos o tres tornillos con roscas opuestas, por ejemplo, un tornillo gira en sentido horario y el otro en sentido antihorario. Los tornillos están montados en ejes paralelos que tienen engranajes que se engranan para que los ejes giren juntos y todo permanezca en su lugar. Los tornillos giran en los ejes e impulsan el fluido a través de la bomba. Al igual que con otras formas de bombas rotativas, el espacio libre entre las partes móviles y la carcasa de la bomba es mínimo.

Bomba de cavidad progresiva [ editar ]

Ampliamente 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 pieza fundida. Este eje encaja dentro de un manguito de goma de alta resistencia, de un grosor de pared también típicamente x . A medida que gira el eje, el rotor empuja gradualmente el fluido hacia arriba por el manguito de goma. Estas bombas pueden desarrollar una presión muy alta a volúmenes bajos.

Bombas tipo raíz [ editar ]
Una bomba de lóbulo de raíces

Nombrada en honor a los hermanos Roots que la inventaron, esta bomba de lóbulos desplaza el líquido atrapado entre dos rotores helicoidales largos, cada uno encajado en el otro cuando es perpendicular a 90 °, girando dentro de una configuración de línea de sellado de forma triangular, tanto en el punto de succión como en el punto de descarga. Este diseño produce un flujo continuo con el mismo volumen y sin vórtice. Puede funcionar a bajas tasas de pulsación y ofrece un rendimiento suave que requieren algunas aplicaciones.

Las aplicaciones incluyen:

  • Compresores de aire industriales de alta capacidad .
  • Sobrealimentadores de raíces en motores de combustión interna .
  • Una marca de la sirena de la defensa civil, la Corporación Federal de señal Es Thunderbolt .
Bomba peristáltica [ editar ]
Bomba peristáltica de 360 ​​°

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). Varios rodillos , zapatas o limpiaparabrisas unidos a un rotor comprimen el tubo flexible. A medida que el rotor gira, la parte del tubo bajo compresión se cierra (u ocluye ), forzando el fluido a través del tubo. Además, cuando el tubo se abre a su estado natural después del paso de la leva, extrae líquido ( restitución ) hacia la bomba. Este proceso se llama peristaltismo y se utiliza en muchos sistemas biológicos como eltracto gastrointestinal .

Bombas de émbolo [ editar ]

Las bombas de émbolo son bombas recíprocas de desplazamiento positivo.

Estos consisten en 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 en 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 pasa por las posiciones intermedias y el flujo cero cuando el émbolo está en las posiciones finales. Se desperdicia mucha energía cuando se acelera el fluido 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 tipo triplex [ editar ]

Las bombas de émbolo triple utilizan tres émbolos, lo que reduce la pulsación de las bombas de émbolo recíproco único. Agregar un amortiguador de pulsaciones en la salida de la bomba puede suavizar aún más la ondulación de la bomba o el gráfico de ondulación 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 un mayor número 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 lavaderos de autos a menudo usan estas bombas de émbolo de 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 rodamientos de bolas y de rodillos para trabajo pesado mejoran la confiabilidad en las bombas triples. Las bombas triplex se encuentran ahora en una gran variedad 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. [dieciséis]

La industria de la perforación de petróleo y gas utiliza bombas triplex masivas transportadas por semirremolques llamadas bombas de lodo para bombear el lodo de perforación , que enfría la broca y lleva los recortes a la superficie. [17] Los perforadores utilizan bombas triplex o incluso quintuplex para inyectar agua y solventes profundamente en la lutita en el proceso de extracción llamado fracking . [18]

Bombas de doble diafragma accionadas por aire comprimido [ editar ]

Una aplicación moderna de las bombas de desplazamiento positivo son las bombas de doble diafragma accionadas por aire comprimido . Funciona con aire comprimido, estas bombas 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 funciones, desde bombear agua fuera de los diques hasta bombear ácido clorhídrico desde un almacenamiento seguro (dependiendo de cómo se fabrica 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. [19]

Bombas de cuerda [ editar ]
Esquema de bomba de cuerda

Ideadas en China como bombas de cadena hace más de 1000 años, estas bombas pueden fabricarse con materiales muy simples: una cuerda, una rueda y una tubería de PVC son suficientes para hacer una bomba de cuerda simple. La eficiencia de las bombas de cuerda ha sido estudiada por organizaciones de base y las técnicas para fabricarlas y hacerlas funcionar se han mejorado continuamente. [20]

Bombas de impulso [ editar ]

Las bombas de impulso utilizan la presión creada por el 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 de ariete hidráulico : la energía cinética de un suministro de agua de baja altura se almacena temporalmente en un acumulador hidráulico de burbujas de aire yluego se utiliza para impulsar el agua a una altura más alta.
  • Bombas pulsadoras : funcionan con recursos naturales, solo con energía cinética.
  • Bombas de transporte aéreo : funcionan con 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 se puede crear 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 de ese modo bombea el fluido fuera de la cámara de bombeo adyacente. La primera bomba blanda impulsada por combustión fue desarrollada por ETH Zurich. [21]

Bombas de ariete hidráulico [ editar ]

Un ariete hidráulico es una bomba de agua que funciona con energía hidroeléctrica. [22]

Toma agua a una presión relativamente baja y un caudal alto y produce agua a un cabezal hidráulico más alto y un caudal más bajo. El dispositivo utiliza el efecto de 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 se usa a veces en áreas remotas, donde hay una fuente de energía hidroeléctrica de baja carga 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 [ editar ]

Una bomba centrífuga utiliza un impulsor con brazos barridos hacia atrás

Las bombas rotodinámicas (o bombas dinámicas) son un tipo de bomba de velocidad en la 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 aún más de acuerdo con los medios en los que se logra la ganancia de velocidad. [23]

Estos tipos de bombas tienen varias características:

  1. Energía continua
  2. Conversión de energía añadida para aumentar la energía cinética (aumento de la velocidad)
  3. Conversión de velocidad aumentada (energía cinética) en un aumento de la altura 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 se diferencian en que se pueden operar de manera segura en condiciones de válvula cerrada (por períodos cortos de tiempo).

Bombas de flujo radial [ editar ]

Una bomba de este tipo también se denomina 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 se usa comúnmente 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 de flujo se produce mediante múltiples remolinos, 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 [ editar ]

También se conocen como bombas para todos los fluidos. El fluido se empuja hacia afuera o hacia adentro para mover el fluido axialmente. Operan a presiones mucho más bajas y velocidades de flujo más altas que las bombas de flujo radial (centrífugas). Las bombas de flujo axial no pueden acelerarse sin una precaución especial. Si a un caudal bajo, la elevación total de la altura y el par alto 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 líquido en el sistema, acelere la bomba lentamente. [24]

Las bombas de flujo mixto funcionan como un compromiso entre las bombas de flujo radial y axial. El fluido experimenta tanto una aceleración radial como una elevación y sale del impulsor en algún lugar entre 0 y 90 grados de la dirección axial. Como consecuencia, las bombas de flujo mixto operan a presiones más altas que las bombas de flujo axial mientras entregan descargas más altas que las bombas de flujo radial. El ángulo de salida del flujo dicta la característica de descarga del cabezal de presión en relación con el flujo radial y mixto.

Bomba eductor-jet [ editar ]

Esto usa un chorro, a menudo de vapor, para crear una presión baja. Esta baja presión aspira fluido y lo impulsa a una región de mayor presión.

Bombas de gravedad [ editar ]

Las bombas de gravedad incluyen el sifón y la fuente de Heron . El ariete hidráulico también se denomina a veces bomba de gravedad; en una bomba de gravedad, el agua se eleva por la fuerza gravitacional y la llamada bomba de gravedad

Bombas de vapor [ editar ]

Las bombas de vapor han sido durante mucho tiempo principalmente de interés histórico. Incluyen cualquier tipo de bomba impulsada por una máquina de vapor y también bombas sin pistón como las de Thomas Savery o la bomba de vapor Pulsometer .

Recientemente, ha resurgido el interés en las bombas de vapor solares de baja potencia para su uso en el riego de pequeños agricultores en los países en desarrollo. Las máquinas de vapor pequeñas anteriormente 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 son ahora una oportunidad rentable.

Bombas sin válvula [ editar ]

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) presentes para regular la dirección del flujo. Sin embargo, la eficiencia de bombeo de fluido 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 dependen más o menos del bombeo sin válvulas para transportar los fluidos de trabajo en su interior. 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 embrionario de vertebrados comienza a bombear sangre mucho antes del desarrollo de cámaras y válvulas discernibles. En microfluidos , bombas de impedancia sin válvulashan sido fabricados y se espera que sean particularmente adecuados para manipular biofluidos sensibles. Las impresoras de chorro de tinta que funcionan con 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 impedancia de flujo reducida en esa dirección y se rellena por acción capilar .

Reparaciones de bombas [ editar ]

Molino de viento abandonado conectado a la bomba de agua con tanque de almacenamiento de agua en primer plano

Examinar los registros de reparación de la bomba y el tiempo medio entre fallas (MTBF) es de gran importancia para los usuarios de bombas responsables y concienzudos. En vista de ese hecho, el prefacio del Manual del usuario de bombas de 2006 alude a las estadísticas de "fallas de la bomba". Por conveniencia, estas estadísticas de fallas a menudo se traducen en MTBF (en este caso, la vida útil instalada antes de la falla). [25]

A principios de 2005, Gordon Buck, ingeniero jefe de John Crane Inc. para operaciones de campo en Baton Rouge, Louisiana, examinó los registros de reparación de varias refinerías y plantas químicas para obtener datos de confiabilidad significativos para bombas centrífugas. En la encuesta se incluyeron un total de 15 plantas en funcionamiento con cerca de 15.000 bombas. La más pequeña de estas plantas tenía alrededor de 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 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 lugar 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, las bombas han sido históricamente artículos "desechables" ya que el ataque químico limita la vida. Las cosas han mejorado en los últimos años, pero el espacio algo restringido disponible en los prensaestopas estándar DIN y ASME "antiguos" impone límites al tipo de sello que encaja. A menos que el usuario de la bomba actualice la cámara de sellado, la bomba solo admite versiones más compactas y simples. Sin esta mejora, la vida útil de las instalaciones químicas suele rondar entre el 50 y el 60 por ciento de los valores de las refinerías.

El mantenimiento no programado es a menudo 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 bomba mejor puede ser de uno a cuatro años más largo 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 de 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 5.000 dólares estadounidenses. Esto incluye costos de material, piezas, mano de obra y gastos generales. Extender el MTBF de una bomba de 12 a 18 meses ahorraría US $ 1,667 por año, lo que podría ser mayor que el costo de mejorar la confiabilidad de la bomba centrífuga. [25] [26] [27]

Aplicaciones [ editar ]

Bomba dosificadora para gasolina y aditivos .

Las bombas se utilizan en toda la sociedad para una variedad de propósitos. Las primeras aplicaciones incluyen el uso del molino 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 marinos, etc.

Debido a la amplia variedad de aplicaciones, las bombas tienen una gran cantidad de formas y tamaños: desde muy grandes a muy pequeñas, desde la manipulación de gas hasta la manipulación de líquidos, desde alta presión a baja presión, y desde gran volumen a bajo volumen.

Cebado de una bomba [ editar ]

Por lo general, una bomba de líquido no puede simplemente extraer aire. La línea de alimentación de la bomba y el cuerpo interno que rodea el mecanismo de bombeo deben primero llenarse con el líquido que requiere bombeo: un operador debe introducir líquido en el sistema para iniciar el bombeo. Esto se llama cebadola bomba. La pérdida de cebado generalmente se debe a la ingestión de aire en la bomba. Las holguras y las relaciones de desplazamiento en las bombas para líquidos, ya sean finas o más viscosas, 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, 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 todo el aire se elimine 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 partes móviles y la carcasa o carcasa de la bomba, por lo que pueden describirse como autocebantes . Dichas bombas también pueden servir como bombas de cebado , llamadas así cuando se utilizan para satisfacer la necesidad de otras bombas en lugar de la acción realizada por un operador humano.

Bombas como abastecimiento público de agua [ editar ]

Representación árabe de una bomba de pistón , por Al-Jazari , c. 1206. [28] [29]
Primera representación europea de una bomba de pistón , por Taccola , c. 1450. [30]
El riego está en marcha mediante extracción con bomba directamente del Gumti , visto al fondo, en Comilla , Bangladesh .

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 previos al suministro de agua corriente.

En algunas partes de las Islas Británicas, a menudo se le llamaba bomba parroquial . Aunque estas bombas comunitarias ya no son comunes, la gente todavía usa la expresión bomba parroquial para describir un lugar o foro donde se discuten asuntos de interés local. [31]

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 podría provocar enfermedades gastrointestinales u otras enfermedades transmitidas por el agua. Un caso notorio es el brote de cólera de Broad Street en 1854 . En ese momento no se sabía cómo se transmitía el cólera, pero el médico John Snow sospechaba que el agua estaba contaminada e hizo que le retiraran la manija de la bomba pública; luego, el brote remitió.

Las bombas comunitarias modernas accionadas a mano se consideran la opción de bajo costo más sostenible para el suministro de agua potable 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 cubos 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 [ editar ]

Las aplicaciones de bombeo multifásico, también conocidas como trifásicas, han crecido debido al aumento de la actividad de perforación petrolera. 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 dos bombas multifásicas más pequeñas en serie en lugar de tener solo una bomba masiva.

Para operaciones midstream y upstream, las bombas multifásicas se pueden ubicar en tierra o en alta mar y se pueden conectar a cabezales de pozo únicos o múltiples. Básicamente, las bombas multifásicas se utilizan para transportar la corriente de flujo sin tratar producida desde los pozos de petróleo hasta los procesos o instalaciones de recolección aguas abajo. Esto significa que la bomba puede manejar una corriente de flujo (corriente de pozo) de 100 por ciento de gas a 100 por ciento de líquido y todas las combinaciones imaginables intermedias. La corriente de flujo también puede contener abrasivos como arena y suciedad. Las bombas multifásicas están diseñadas para funcionar en condiciones de proceso cambiantes o fluctuantes. El bombeo multifásico también ayuda a eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero, ya que los operadores se esfuerzan por minimizar la quema de gas y la ventilación de los tanques siempre que sea posible. [32]

Tipos y características de las bombas multifásicas [ editar ]

Helicoaxial (centrífugo) [ editar ]

Una bomba rotodinámica con un solo eje que requiere dos sellos mecánicos, esta bomba utiliza un impulsor axial de tipo abierto. A menudo se le llama bomba Poseidon y puede describirse como un cruce entre un compresor axial y una bomba centrífuga.

Tornillo gemelo (desplazamiento positivo) [ editar ]

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) [ editar ]

Cuando la aplicación de bombeo no es adecuada para una bomba centrífuga, se utiliza en su lugar una bomba de cavidad progresiva. [33] Las bombas de cavidad progresiva son del tipo de un solo tornillo que se utilizan normalmente 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. [33]

Sumergible eléctrico (centrífugo) [ editar ]

Estas bombas son básicamente bombas centrífugas de etapas múltiples y se utilizan ampliamente en aplicaciones de pozos de petróleo como método de levantamiento artificial. Estas bombas generalmente se especifican cuando el fluido bombeado es principalmente líquido.

Tanque intermedio A menudo se instala un tanque intermedio aguas arriba de la boquilla de succión de la bomba en caso de un flujo slug . El tanque de compensación interrumpe la energía de la babosa líquida, 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 encontrar una gran variación en las condiciones de servicio, como cambios en la composición del fluido del proceso, variaciones de temperatura, presiones operativas altas y bajas y exposición a medios abrasivos / erosivos. El desafío es seleccionar la disposición del sello mecánico y el sistema de soporte adecuados para garantizar una vida útil máxima del sello y su efectividad general. [32] [34] [35]

Especificaciones [ editar ]

Las bombas se clasifican comúnmente por caballos de fuerza , caudal volumétrico , presión de salida en metros (o pies) de altura, succión de entrada en pies (o metros) de succión de altura. La altura se puede simplificar como la cantidad de pies o metros que la bomba puede subir o bajar una columna de agua a presión atmosférica .

Desde el punto de vista del diseño inicial, los ingenieros suelen utilizar una cantidad denominada velocidad específica para identificar el tipo de bomba más adecuado para una combinación particular de caudal y altura.

Potencia de bombeo [ editar ]

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 . De ahí la potencia, P, requerida por la bomba:

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 expresa en m 3 / 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 la forma de una curva de la bomba , y generalmente se deriva de la dinámica de fluidossimulación (es decir, soluciones a Navier-Stokes para la geometría particular de la bomba) o mediante pruebas. La eficiencia de la bomba depende de la configuración de la bomba y las condiciones de funcionamiento (como la velocidad de rotación, la densidad y viscosidad del fluido, etc.)

Para una configuración de "bombeo" típica, el trabajo se imparte sobre el fluido y, por tanto, es positivo. Para el fluido que imparte el trabajo a la bomba (es decir, una turbina ), el trabajo es negativo. La potencia requerida para impulsar 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 [ editar ]

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 impulsar la bomba. Su valor no es fijo para una bomba dada, la eficiencia es una función de la descarga y por lo tanto también de la altura de operación. En el caso de las bombas centrífugas, la eficiencia tiende a aumentar con el caudal hasta un punto intermedio en el rango de funcionamiento (máxima eficiencia o punto de máxima eficiencia (BEP)) y luego disminuye a medida que el caudal aumenta. Los datos de rendimiento de la bomba como este generalmente los proporciona el fabricante antes de la selección de la bomba. La eficiencia de la bomba tiende a disminuir con el tiempo debido al desgaste (por ejemplo, aumentando las holguras a medida que los impulsores reducen su tamaño).

Cuando un sistema incluye una bomba centrífuga, una cuestión de diseño importante es hacer coincidir la característica de pérdida de caudal 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 flujo mínimo [ editar ]

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 de transmisión o bajo rendimiento. [36] Un sistema de protección de flujo mínimo asegura que la bomba no funcione por debajo del caudal mínimo. El sistema protege la bomba incluso si está cerrada o muerta, es decir, si la línea de descarga está completamente cerrada. [37]

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. [38] La disposición asegura que se mantenga el flujo mínimo, aunque es un desperdicio ya que recicla el fluido incluso cuando el flujo a través de la bomba excede el flujo mínimo.

Un sistema más sofisticado, pero más costoso, comprende un dispositivo de medición de flujo en la descarga de la bomba que proporciona una señal a un controlador de flujo que acciona una válvula de control de flujo (FCV) en la línea de reciclaje. Si el caudal medido supera el caudal mínimo, el FCV se cierra. Si el caudal medido cae por debajo del caudal mínimo, el FCV se abre para mantener el caudal mínimo. [36]

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 oleoducto, se proporciona un enfriador de reciclaje en la línea de reciclaje para enfriar los fluidos a la temperatura de succión normal. [39] Como alternativa, los líquidos reciclados pueden ser devueltos a aguas arriba del enfriador de exportación en una refinería de petróleo , terminal de petróleo , o instalación en alta mar .

Referencias [ editar ]

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Lectura adicional [ editar ]

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  • Hicks, Tyler G. y Theodore W. Edwards. Ingeniería de aplicación de bombas . Compañía de libros McGraw-Hill, 1971. ISBN 0-07-028741-4 
  • Karassik, Igor , ed. (2007). Pump Handbook (4 ed.). McGraw Hill. ISBN 9780071460446.
  • Robbins, LB "Sistemas de presión de agua caseros" . Popular Science , febrero de 1919, páginas 83–84. Artículo sobre cómo un propietario puede construir fácilmente un sistema de agua presurizado que no use electricidad.