Las bombas son el segundo equipo industrial más utilizado, después de los motores. Actualmente, millones de bombas funcionan en todo el mundo, transportando miles de tipos diferentes de líquidos.
Seleccionar la bomba adecuada entre las innumerables opciones disponibles es una tarea compleja. En gran medida, la selección de la bomba implica hacer coincidir las capacidades de una bomba específica con los requisitos del sistema y las características del fluido que se bombea.
En este artículo, comenzaremos con las propiedades del líquido bombeado, desde la perspectiva de las necesidades del usuario, y luego profundizaremos en los detalles de la selección de la bomba.
1. Requisitos básicos
En cualquier aplicación, el primer paso es comprender los requisitos básicos que el usuario tiene para la bomba. Por ejemplo: condiciones de entrada, flujo requerido, diferencial de presión, temperatura y características del fluido como viscosidad, abrasividad, sensibilidad al corte y corrosividad. Todas estas condiciones deben determinarse antes de poder seleccionar una bomba.
Las bombas deben funcionar en condiciones de succión correctas para funcionar bien. De hecho, el mayor problema que encuentran las bombas se puede atribuir a las malas condiciones de succión. Debido a que la capacidad de la bomba para empujar líquido excede con creces su capacidad para extraer líquido, las condiciones de entrada deben mantenerse dentro de la capacidad de la bomba.
El diferencial de presión también es un factor crítico, especialmente cuando se considera la conservación de energía y la vida útil de la bomba. El uso de tuberías con diámetros más pequeños y longitudes más largas puede reducir los costos iniciales del sistema, pero también puede generar un mayor diferencial de presión para la bomba.
Este mayor diferencial de presión puede traducirse en consumo de energía y potencialmente reducir la vida útil de la bomba, lo que significa mayores costos operativos y menor eficiencia.
Las características requeridas del fluido se conocen generalmente y la clave es comprender cómo una bomba determinada afecta estas características. La mayoría de los usuarios prefieren que el líquido descargado de la bomba esté en las mismas condiciones que cuando entró en la bomba. Para una selección adecuada de la bomba, la compatibilidad del material, la viscosidad, la sensibilidad al corte y la presencia de sustancias o sólidos específicos son de suma importancia.
2. Bombas centrífugas versus bombas de desplazamiento positivo
Una vez que se han cumplido los requisitos básicos y se conocen las características del líquido, se puede comenzar con la selección de la bomba. Las bombas generalmente se dividen en dos categorías básicas: bombas cinéticas (los tipos más grandes son bombas centrífugas) y bombas de desplazamiento positivo (PD).
Según datos del Departamento de Comercio de EE. UU., alrededor del 70 % de todas las ventas de bombas son bombas cinéticas, mientras que el 30 % restante son bombas de desplazamiento positivo. El primer paso para elegir una bomba es determinar cuál de las bombas centrífugas o bombas de desplazamiento positivo se adapta mejor a sus necesidades.
Dado que la mayoría de las bombas industriales son centrífugas, muchas personas considerarán primero las bombas centrífugas. El costo de las bombas centrífugas es generalmente menor que el de las bombas de desplazamiento positivo y también son el tipo correcto de bomba para usar en muchas situaciones.
Cada tipo de bomba agita el fluido de una manera única y cada una tiene sus propias características y curvas de funcionamiento. Es importante tener en cuenta que las bombas centrífugas afectan el flujo del líquido, lo que genera una cierta presión en el puerto de descarga.
Por el contrario, una bomba de desplazamiento positivo agita el líquido obteniendo primero una cantidad específica de líquido y entregándolo desde el puerto de succión al puerto de descarga.
En el caso de las bombas centrífugas, primero se genera presión y luego se genera flujo. Para las bombas de desplazamiento positivo, primero se forma el flujo, seguido de la aparición de presión.
Actuación
Para elegir el tipo más adecuado entre varios tipos de bombas, es fundamental comprender las diferencias en las características operativas de estos dos tipos de bombas. Al observar sus gráficos de rendimiento (Figura 1a), puede ver cuán diferentes son sus principios operativos.
Las bombas centrífugas exhiben un fenómeno de flujo variable que depende de la presión (o altura), mientras que las bombas de desplazamiento positivo exhiben un fenómeno de flujo más o menos constante que es independiente de la presión.
Viscosidad
La viscosidad juega un papel importante en la eficiencia mecánica de una bomba. Debido a que las bombas centrífugas funcionan a velocidades del motor, su eficiencia disminuye al aumentar la viscosidad debido a mayores pérdidas por fricción dentro de la bomba. Tenga en cuenta que la tasa de disminución de la eficiencia en las bombas centrífugas es rápida al aumentar la viscosidad (Figura 1b).
Otra distinción importante es el efecto de la viscosidad sobre la capacidad de la bomba. En el diagrama de flujo (Figura 1c), notará una disminución en el flujo a medida que aumenta la viscosidad en las bombas centrífugas, mientras que las bombas de desplazamiento positivo experimentan un aumento en el flujo.
Esto se debe al líquido de mayor viscosidad que llena los huecos dentro de la bomba de desplazamiento positivo, lo que resulta en una mayor eficiencia volumétrica. La Figura 1c solo representa el impacto de la viscosidad en el flujo de la bomba.
Tenga en cuenta que también habrá un aumento en las pérdidas en las tuberías dentro del sistema. Esto significa que el flujo dentro de la bomba centrífuga disminuirá aún más a medida que aumente la presión diferencial de la bomba.
Eficiencia
Al considerar el efecto de la presión diferencial sobre la eficiencia mecánica de la bomba, las bombas cinéticas y de desplazamiento positivo tienen características diferentes. La Figura 1d ilustra cómo la eficiencia de la bomba se ve afectada por el aumento de presión.
Para las bombas de desplazamiento positivo, la eficiencia en realidad mejora al aumentar la presión, mientras que las bombas centrífugas tienen un Punto de Mejor Eficiencia (BEP). A ambos lados de este punto, la eficiencia general de la bomba cae significativamente.
Condiciones de entrada
Estos dos tipos de bombas tienen requisitos significativamente diferentes en cuanto a las condiciones de entrada. Las bombas centrífugas necesitan una cierta cantidad de líquido en la bomba para crear un diferencial de presión. Una bomba seca sin líquido no puede arrancar por sí sola.
Una vez puestas en marcha, las bombas centrífugas deben cumplir con los requisitos específicos de presión de entrada recomendados por el fabricante.
A medida que las bombas de desplazamiento positivo agitan el líquido expandiendo y contrayendo su volumen, se crea una presión negativa en la entrada, lo que permite que la bomba se autocebe.
En algunos casos, este es el único factor determinante a la hora de elegir entre una bomba de desplazamiento positivo o una bomba centrífuga.
Conclusión
En resumen, cuando la viscosidad excede los 150 cP y se requieren caudales en un amplio rango, o cuando se desea autocebado, se puede considerar una bomba de desplazamiento positivo. También se debe tener en cuenta el consumo de energía al elegir entre bombas centrífugas y de desplazamiento positivo, ya que puede haber diferencias significativas en el uso de energía entre las dos.
Esto es especialmente importante para caudales inferiores a 100 galones por minuto, donde la disminución de la eficiencia es más pronunciada en las bombas centrífugas.
3. Bomba volumétrica
Incluso después de que decida utilizar una bomba volumétrica, todavía quedan muchas opciones a considerar. Antes de detallar los detalles de cada operación de bombeo, primero revisemos algunas características operativas comunes de las bombas de desplazamiento.
Como se mencionó anteriormente, una bomba volumétrica rotativa descarga el mismo volumen de fluido con cada rotación del eje. Esto significa que el caudal del fluido descargado es proporcional a la velocidad de rotación.
En otras palabras, el caudal se puede controlar simplemente cambiando la velocidad de la bomba. Para fluidos más viscosos, la bomba se puede dosificar simplemente midiendo el número de rotaciones del eje.
La estructura de una bomba de desplazamiento requiere componentes internos que encajen bien y un cierto espacio libre de funcionamiento. Debido a este espacio, algo de fluido regresará desde el extremo de descarga al extremo de succión.
Este fenómeno se conoce como “deslizamiento”. La cantidad de fluido que desliza depende de la viscosidad del fluido, la diferencia de presión y el juego interno de la bomba. Una viscosidad más baja generalmente resulta en un mayor deslizamiento, mientras que los fluidos más espesos se deslizarán menos.
Dado que una bomba volumétrica siempre intenta descargar la misma cantidad de fluido, es importante contar con los dispositivos de protección contra sobrepresión necesarios en el sistema. Cuando ocurre un bloqueo en la descarga de la bomba, generalmente resulta en un aumento de presión, que sólo se detiene cuando: la carga excede el límite del motor; algunos componentes del sistema se rompen y liberan presión; o la bomba falla. Todas estas situaciones son inseguras. Una bomba volumétrica necesita una forma de aliviar la presión.
Para aliviar la presión, existen varios métodos entre los que puede elegir. El uso de una válvula limitadora de presión es el más común, pero también se puede usar un disco de ruptura en la línea de descarga.
Como el par de accionamiento está directamente relacionado con la presión diferencial dentro de la bomba de desplazamiento, también se puede utilizar un acoplamiento con límite de par. La clave es recordar que se pueden acumular presiones muy altas dentro de la bomba volumétrica y esto debe limitarse en caso de bloqueo o bloqueo parcial de la descarga.
Las bombas volumétricas se pueden dividir en varios tipos. El Instituto Americano de Hidráulica, una organización de fabricantes de bombas, ha publicado varias publicaciones sobre tipos y estándares de bombas. Clasifican las bombas volumétricas rotativas en: impulsor, pistón, leva, engranaje, anillo de pistón y tornillo.
Además, existen subcategorías para cada tipo de bomba, es decir, existen varios tipos de bombas volumétricas. Todas estas bombas tienen la misma función de transportar fluido, entonces, ¿cómo elegimos la bomba adecuada?
Aunque la mayoría de las bombas de desplazamiento se pueden modificar para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones, algunos tipos son mejores que otros para un entorno determinado. Afortunadamente, para el transporte básico de fluidos, algunas bombas han demostrado ser superiores. En las siguientes secciones, analizaremos las características de rendimiento de las bombas de engranajes internos, las bombas de engranajes externos y las bombas de impulsor.
4. Bomba de engranajes interna
La bomba de engranajes internos está compuesta por un componente de engranaje externo conocido como rotor, que es responsable de impulsar el engranaje interno, también conocido como rueda loca (Figura 2). La polea loca es ligeramente más pequeña que el rotor y gira alrededor de un pasador estacionario mientras opera dentro del rotor.
Cuando estos componentes se desconectan, se forma un cierto espacio que permite que el líquido fluya hacia la bomba. A medida que estos componentes se acoplan, el volumen del espacio disminuye gradualmente, lo que obliga al líquido a salir del puerto de descarga.
El líquido puede fluir hacia la cavidad en expansión a través de los engranajes del rotor y el hueco debajo del cabezal de la bomba. El último elemento clave de este tipo de diseño de bomba es la barrera en forma de media luna, que está integrada en el cabezal de la bomba.
La barrera en forma de media luna sella el volumen de líquido entre la rueda loca y el engranaje, sirviendo como sello entre los puertos de admisión y descarga.
El engranaje del rotor está asegurado a un eje de engranaje y sostenido por un collar de eje o un cojinete antifricción (Figura 3). El conjunto de engranaje loco también incluye un cojinete de collar que está ubicado dentro del líquido bombeado y gira alrededor de un pasador fijo.
Dependiendo de la disposición del sello del eje, el cojinete de soporte del eje del rotor puede funcionar dentro del líquido bombeado. Es necesario enfatizar este aspecto cuando se transportan líquidos corrosivos, ya que pueden corroer el cojinete de soporte.
El límite de presión real de tales bombas depende del funcionamiento del cojinete de soporte del eje del rotor. La presión diferencial nominal de la gran mayoría de las bombas de engranajes internos es de 200 psi, aunque se pueden utilizar para presiones más altas en las condiciones de aplicación correctas.
La velocidad de las bombas de engranajes internos es relativamente más lenta en comparación con las bombas centrífugas. Generalmente, el máximo es 1150 rpm, pero algunos esquemas de diseño pequeños pueden alcanzar 3450 rpm. Debido a que las bombas de engranajes internos pueden funcionar a bajas velocidades, son adecuadas para transportar fluidos de alta viscosidad, aunque también se pueden aplicar con éxito a líquidos diluidos. Las bombas de engranajes internos han bombeado con éxito líquidos con viscosidades superiores a 1.000.000 cSt y líquidos de muy baja viscosidad como el propano líquido y el amoníaco.
El rango de flujo de este tipo de bomba varía de 0,5 galones/minuto a 1500 galones/minuto. Los materiales incluyen hierro fundido y una variedad de diferentes aleaciones resistentes a la corrosión, incluido Hastelloy.
Las bombas de engranajes internos adoptan un diseño de tolerancia estricta durante la fabricación, que puede dañarse al bombear sólidos más grandes. Este tipo de bomba puede transportar pequeñas partículas suspendidas en aplicaciones corrosivas, pero se desgastará y degradará gradualmente el rendimiento.
En aplicaciones corrosivas, al elegir materiales resistentes a la corrosión, la vida útil de la bomba se puede ampliar considerablemente. En este caso, el carburo de tungsteno, el acero endurecido o varios recubrimientos pueden proporcionar excelentes resultados.
Las bombas de engranajes internos tienen una amplia gama de aplicaciones e incluso pueden usarse eficazmente para líquidos sensibles al cizallamiento. Las áreas de aplicación incluyen aguas residuales, polímeros, pinturas sensibles al corte, emulsiones asfálticas y ciertos alimentos como la mayonesa.
Cuando se utiliza este tipo de bomba, sólo una cantidad muy pequeña de líquido está sujeta a fuerzas de corte en un momento dado. Además, cuando sea necesario, se pueden ajustar el espacio libre y la velocidad para minimizar el impacto de las fuerzas de corte.
4. Bombas de engranajes externos
Las bombas de engranajes externos funcionan de manera similar a las bombas de engranajes internos en la acción de bombeo, que consiste en acoplar y desacoplar dos engranajes para impulsar el flujo de fluido (Figura 4).
Sin embargo, las bombas de engranajes externos utilizan dos engranajes completamente idénticos que engranan y giran entre sí. Cada engranaje está sostenido por un eje de engranaje y hay un cojinete en ambos lados de cada engranaje. Normalmente, los cuatro cojinetes funcionan dentro del líquido bombeado.
Debido a que el engranaje está soportado en ambos lados, la bomba de engranajes externa se puede utilizar en aplicaciones de alta presión, como dispositivos hidráulicos.
Las bombas diseñadas para suministro hidráulico pueden soportar presiones de miles de libras por pulgada cuadrada. Las bombas transportadoras industriales pueden soportar presiones aún más altas, pero las características del líquido pueden limitar el rango de presión.
Los líquidos más finos pueden alcanzar cientos de psi, mientras que los líquidos más viscosos pueden acercarse a la presión de la bomba hidráulica. Normalmente, las bombas de engranajes externos más pequeñas deben funcionar dentro de un rango de 1750 a 3450 rpm, mientras que las bombas de engranajes externos más grandes funcionan a una velocidad máxima de 640 rpm.
El rango de flujo de la bomba de engranajes externos varía desde muy bajo (unas pocas gotas por minuto) hasta bastante alto, 1500 galones por minuto. Las bombas de engranajes externos se pueden fabricar a partir de una variedad de materias primas, incluidas aleaciones de alta calidad.
Los diseños de bombas de engranajes externos pueden utilizar tolerancias más estrictas que las bombas de engranajes internos. Sin embargo, las bombas de engranajes externos no toleran partículas en el líquido bombeado. Dado que hay juego en ambos extremos del engranaje, no es posible ajustar el juego axial por desgaste. Una vez que la bomba de engranajes externa se desgasta, se debe volver a ensamblar o reemplazar.
Siempre que la velocidad se ajuste correctamente, especialmente para líquidos con mayor viscosidad, la bomba de engranajes externos puede manejar líquidos viscosos y acuosos. Dado que los líquidos viscosos requieren algo de tiempo para llenar los espacios entre los dientes del engranaje, la velocidad de la bomba debe reducirse significativamente al bombear líquidos viscosos. Su límite de viscosidad es en realidad el mismo que el de una bomba de engranajes internos, ambos a 1.000.000 cSt.
El rendimiento de la bomba de engranajes externos en condiciones de succión críticas no es ideal, especialmente para líquidos volátiles. Los líquidos volátiles suelen sufrir una evaporación parcial cuando el espacio entre los dientes se expande rápidamente.
5. Bomba impulsora
El principio de funcionamiento de la bomba de paletas es teóricamente similar al de otras bombas volumétricas con volúmenes en expansión y contracción, pero emplea un mecanismo diferente para realizar esta teoría (Figura 6). Curiosamente, la bomba de refuerzo consta esencialmente de dos bombas en una.
La primera acción de bombeo se genera por la expansión de volumen entre el impulsor, el impulsor y la carcasa de la bomba, mientras que se produce una acción de bombeo menos perceptible en el área debajo del impulsor.
En esta área, ya sea que el impulsor entre o salga de la ranura del rotor, se forma una acción de bombeo que en realidad representa aproximadamente el 15% del desplazamiento total de la bomba.
Normalmente, esta área se ventila a través de ranuras dentro del impulsor o rotor. Es crucial entender esto, especialmente cuando se trata de líquidos más viscosos, ya que el flujo de líquido viscoso dentro y fuera del área entre los impulsores puede ser más desafiante.
Por tanto, la viscosidad media máxima recomendada para este tipo de bomba es de aproximadamente 25.000 cSt.
El impulsor, que es el principal componente de sellado entre los puertos de admisión y descarga, generalmente está hecho de materiales compuestos no metálicos. Debido a que no hay contacto entre metales, las bombas de impulsor se utilizan a menudo para líquidos de baja viscosidad sin efectos lubricantes, como el propano y el amoníaco. Debido a que el impulsor entra en contacto directo con la carcasa de la bomba y se minimiza el espacio interno, se pueden optimizar las características de deslizamiento de los líquidos poco fluidos.
La mayoría de las bombas con impulsor transportador limitan la presión a 125 psi, aunque algunas están clasificadas para 200 psi. El límite de presión de la bomba de impulsor depende en gran medida de la resistencia del impulsor.
Gracias al impulsor no metálico y a las holguras de funcionamiento muy pequeñas, las bombas con impulsor pueden iniciar muy bien las operaciones de cebado. Cuando la bomba comienza la operación de cebado, debe descargar aire, y lo que se descarga es un fluido muy fino. Debido a que las bombas de impulsor pueden hacer esto bien, a veces se usan como bombas de vacío.
Las bombas de impulsor suelen estar soportadas en ambos lados del impulsor por manguitos de eje o cojinetes antifricción. Si se utilizan cojinetes de casquillo del eje, funcionarán en líquido. Si se utilizan cojinetes antifricción, se deben usar sellos internos de la bomba para permitir que los cojinetes funcionen en aceite lubricante o grasa. Este diseño requiere dos sellos mecánicos, uno a cada lado del rotor.
Las bombas de impulsor generalmente funcionan en el rango de velocidad de 1000 a 1750 rpm y los caudales pueden alcanzar hasta 2000 galones/minuto. Sin embargo, cuando se trata de líquidos de alta viscosidad, la velocidad requerida se reducirá significativamente para permitir que el líquido entre debajo del impulsor.
En aplicaciones que trabajan con líquidos de alta viscosidad, se requieren impulsores fabricados con materiales más resistentes para evitar roturas. Los materiales más comunes para la construcción de bombas de impulsor son el hierro fundido o el hierro dúctil. Algunos fabricantes utilizan materiales de acero inoxidable en bombas que deben manejar líquidos ligeros y corrosivos.
Las bombas de impulsor pueden manejar algunas sustancias corrosivas, pero no sólidos. Para aplicaciones que bombean sustancias corrosivas, se debe tener cuidado en elegir correctamente el impulsor y los materiales de sellado. Al igual que las bombas de engranajes externos, las bombas de impulsor tienen espacios libres fijos en ambos extremos del rotor y el impulsor.
Cuando se produce desgaste, estos espacios no se pueden ajustar; sin embargo, algunos fabricantes ahora ofrecen tapas de extremo reemplazables o reversibles. El uso de un revestimiento de carcasa también es una forma de restaurar el rendimiento de la bomba cuando se produce desgaste.
Resumen
Comprender los principios operativos de varias bombas es un buen comienzo para seleccionar adecuadamente un modelo para un entorno de aplicación determinado. Aunque las distinciones entre las diversas opciones pueden no ser muy claras, las diferencias básicas en operación y capacidad pueden usarse para guiar la selección.
Las bombas de engranajes internos se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones, pero generalmente funcionan más lentamente que otras bombas. Inicialmente, elegir una bomba de engranajes internos puede generar costos ligeramente más altos, pero en comparación con las bombas de funcionamiento más lento, su vida útil tiende a ser más larga.
Las bombas de engranajes externos tienen excelentes capacidades de manejo de presión y características precisas de control de flujo, pero no pueden usarse para manejar medios sólidos o corrosivos. El costo de fabricación de las bombas de engranajes externos es menor, por lo que son una opción económica y razonable en campos de aplicación de menor demanda.
Las bombas de impulsor funcionan bien cuando se transportan líquidos ligeros, pero deben funcionar a velocidades reducidas cuando se manipulan líquidos viscosos. Las bombas de impulsor tampoco pueden soportar materiales sólidos.
Una selección incorrecta de la bomba a menudo genera mayores costes. Específicamente, puede impactar negativamente el tiempo de inactividad, la pérdida de producción, los costos de mantenimiento y el consumo de energía. Dedicar más tiempo a elegir la bomba adecuada en el sistema adecuado puede minimizar gastos innecesarios y lograr mayores beneficios a largo plazo.
