Una bomba es un dispositivo que mueve fluidos ( líquidos o gases ), o a veces lodos , [1] mediante acción mecánica, normalmente convertida de energía eléctrica en energía hidráulica.
Las bombas mecánicas sirven en una amplia gama de aplicaciones, como bombear agua de pozos , filtrar acuarios , filtrar estanques y airear , en la industria automovilística para refrigeración por agua e inyección de combustible , en la industria energética para bombear petróleo y gas natural o para el funcionamiento de refrigeración. torres 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 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 bomba con fluido dirigido a fluir a través de ellos en serie, se denomina bomba multietapa . 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 ; El biomimetismo se utiliza a veces para desarrollar nuevos tipos de bombas mecánicas.
Las bombas mecánicas pueden sumergirse en el fluido que bombean o colocarse fuera del fluido.
Las bombas se pueden clasificar según su método de desplazamiento en bombas electromagnéticas, 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. [2] [3]
Una bomba electromagnética es una bomba que mueve metal líquido , sal fundida , salmuera u otro líquido conductor de electricidad mediante electromagnetismo .
Se establece un campo magnético en ángulo recto con la dirección en la que se mueve el líquido y se hace pasar una corriente a través de él. Esto provoca una fuerza electromagnética que mueve el líquido.
Las aplicaciones incluyen el bombeo de soldadura fundida en muchas máquinas de soldadura por ola , el bombeo de refrigerante de metal líquido y el accionamiento magnetohidrodinámico .
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 en expansión en el lado de succión y una cavidad decreciente en el lado de descarga. El líquido fluye hacia la bomba cuando la cavidad en el lado de succión se expande y el líquido sale por la descarga cuando la cavidad colapsa. El volumen es constante en cada ciclo de operación.
Las bombas de desplazamiento positivo, a diferencia de las centrífugas , en teoría pueden producir el mismo flujo a una velocidad de rotación determinada, sin importar la presión de descarga. Por tanto, las bombas de desplazamiento positivo son máquinas de flujo constante . Sin embargo, un ligero aumento en la fuga interna a medida que aumenta la presión impide un caudal verdaderamente constante.
Una bomba de desplazamiento positivo no debe funcionar 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 explota, la bomba sufre daños graves o ambas cosas.
Por lo tanto, es necesaria una válvula de alivio o de 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 de seguridad o de alivio internas. 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, proporciona mayor seguridad .
Una bomba de desplazamiento positivo se puede clasificar además según el mecanismo utilizado para mover el fluido:
Estas bombas mueven fluido mediante un mecanismo giratorio que crea un vacío que captura y aspira el líquido. [4]
Ventajas: Las bombas rotativas son muy eficientes [5] porque pueden manejar fluidos altamente viscosos con mayores caudales a medida que aumenta la viscosidad. [6]
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 funcionan a altas velocidades, los fluidos provocan erosión, lo que eventualmente provoca mayores espacios por los que puede pasar el líquido, lo que reduce la eficiencia.
Las bombas rotativas de desplazamiento positivo se dividen en cinco tipos principales:
Las bombas alternativas mueven el fluido utilizando uno o más pistones, émbolos o membranas (diafragmas) oscilantes, mientras que las válvulas restringen el movimiento del fluido en la dirección deseada. Para que se produzca la succión, la bomba primero debe tirar del émbolo con 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 hacia adentro del émbolo abrirá la válvula de descarga y liberará el fluido en la tubería de entrega con un caudal constante y una presión aumentada.
Las bombas de esta categoría van desde simplex , con un cilindro, hasta, en algunos casos, cuatro (cuatro) cilindros o más. Muchas bombas de tipo alternativo son de cilindros dúplex (dos) o triplex (tres). Pueden ser de simple efecto con succión en una dirección del movimiento del pistón y descarga en la otra, o de doble efecto con succión y descarga en ambas direcciones. Las bombas pueden funcionar manualmente, por aire o vapor, o por 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. Actualmente, las bombas alternativas normalmente bombean fluidos altamente viscosos como concreto y petróleo pesado, y sirven en aplicaciones especiales que exigen caudales bajos contra una alta resistencia. Las bombas manuales alternativas se utilizaban ampliamente para bombear agua de los pozos. Las bombas de bicicleta y las bombas de pie comunes para inflar utilizan una acción recíproca.
Estas bombas de desplazamiento positivo tienen una cavidad en expansión 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 cuando 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 rutinario y la inspección de sus válvulas. [14]
Las bombas alternativas típicas son:
El principio de desplazamiento positivo se aplica en estas bombas:
Esta es la forma más simple de bombas rotativas de desplazamiento positivo. Consta de dos engranajes engranados que giran en una carcasa muy ajustada. Los espacios de los dientes atrapan el líquido y lo fuerzan alrededor de la periferia exterior. El líquido 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 para motores de automóviles y en diversos grupos hidráulicos.
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 a las agujas del reloj. Los tornillos están montados sobre ejes paralelos que tienen engranajes que se engranan para que los ejes giren juntos y todo permanezca en su lugar. Los tornillos giran sobre los ejes e impulsan el fluido a través de la bomba. Como ocurre con otros tipos de bombas rotativas, el espacio libre entre las piezas móviles y la carcasa de la bomba es mínimo.
Ampliamente utilizada para bombear materiales difíciles, como lodos de depuradora contaminados con partículas grandes, una bomba de cavidad progresiva consta de un rotor helicoidal, aproximadamente diez veces más largo que su ancho. Esto se puede visualizar como un núcleo central de diámetro x con, típicamente, una espiral curva enrollada de espesor medio x , aunque en realidad se fabrica en una sola pieza fundida. Este eje encaja dentro de un manguito de goma de alta resistencia, cuyo espesor de pared también suele ser x . A medida que el eje gira, el rotor empuja gradualmente el fluido hacia arriba por el manguito de goma. Estas bombas pueden desarrollar presiones muy altas a volúmenes bajos.
Esta bomba lobular , que lleva el nombre de los hermanos Roots que la inventaron, desplaza el fluido atrapado entre dos largos rotores helicoidales, cada uno encajado en el otro en posición perpendicular a 90°, girando dentro de una configuración de línea de sellado de forma triangular, tanto en el punto de succión como en el el punto de descarga. Este diseño produce un flujo continuo con igual volumen y sin vórtices. Puede funcionar a bajas tasas de pulsación y ofrece el rendimiento suave que requieren algunas aplicaciones.
Las aplicaciones incluyen:
Una bomba peristáltica es un tipo de bomba de desplazamiento positivo. Contiene líquido dentro de un tubo flexible colocado dentro de la carcasa de una 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, aspira líquido ( restitución ) hacia la bomba. Este proceso se llama peristalsis y se utiliza en muchos sistemas biológicos como el tracto gastrointestinal .
Las bombas de émbolo son bombas alternativas de desplazamiento positivo.
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 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 intermedias 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.
Las bombas de émbolo triple utilizan tres émbolos, lo que reduce la pulsación en relación con las bombas de émbolo alternativo 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 entre el 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 de la carga del cigüeñal es un inconveniente.
Los lavaderos de coches suelen utilizar 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 lavaderos de autos pudieran utilizar equipos que ocuparan menos espacio. Los sellos duraderos de alta presión, los sellos de baja presión y los sellos de aceite, los cigüeñales endurecidos, las bielas endurecidas, los émbolos cerámicos gruesos y los rodamientos de bolas y rodillos de mayor resistencia mejoran la confiabilidad en las bombas triplex. Las bombas triplex se encuentran ahora en innumerables mercados en todo el mundo.
Las bombas triplex con vidas más cortas son algo común para el usuario doméstico. Una persona que utiliza una lavadora a presión doméstica durante 10 horas al año puede sentirse 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. [17]
La industria de perforación de petróleo y gas utiliza enormes bombas triples transportadas por semirremolques llamadas bombas de lodo para bombear lodo de perforación , que enfría la broca y lleva los recortes de regreso a la superficie. [18] Los perforadores utilizan bombas triplex o incluso quíntuplex para inyectar agua y disolventes profundamente en el esquisto en el proceso de extracción llamado fracking . [19]
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 fuera 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. [20]
Concebidas en China como bombas de cadena hace más de 1.000 años, estas bombas pueden fabricarse con materiales muy sencillos: un cable, una rueda y un tubo son suficientes para fabricar una bomba de mecate sencilla. 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. [21]
Las bombas de impulso utilizan presión creada por gas (normalmente aire). En algunas bombas de impulso, el gas atrapado en el líquido (normalmente 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:
En lugar de un ciclo de acumulación y liberación de gas, la presión se puede crear mediante la quema de hidrocarburos. Dichas bombas impulsadas por combustión transmiten directamente el impulso de un evento de combustión a través de la membrana de accionamiento al fluido de la bomba. Para permitir esta transmisión directa, la bomba debe estar fabricada casi en su totalidad de un elastómero (p. ej., caucho de silicona ). Por tanto, la combustión hace que la membrana se expanda y, por tanto, bombea el fluido fuera de la cámara de bombeo adyacente. La primera bomba blanda impulsada por combustión fue desarrollada por ETH Zurich. [22]
Un ariete hidráulico es una bomba de agua impulsada por energía hidroeléctrica. [23]
Toma agua a una presión relativamente baja y un caudal alto y emite agua a una altura hidráulica más alta 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 alimenta la bomba a un punto más alto que donde comenzó el agua.
El ariete hidráulico se utiliza a veces en áreas remotas, donde existe tanto una fuente de energía hidroeléctrica de baja altura como la necesidad de bombear agua a un destino a mayor altura que la fuente. En esta situación, el ariete suele ser útil, ya que no requiere ninguna fuente externa de energía aparte de la energía cinética del agua que fluye.
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 concretamente por el principio de Bernoulli .
Las bombas dinámicas se pueden subdividir según los medios con los que se logra la ganancia de velocidad. [24]
Este tipo de bombas tienen una serie de características:
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 un aumento continuo de presión que puede causar fallas mecánicas de la tubería o de la bomba. Las bombas dinámicas se diferencian en que pueden funcionar de forma segura con la válvula cerrada (por cortos períodos de tiempo).
Esta bomba también se denomina bomba centrífuga . El fluido ingresa 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 utiliza para implementar una aspiradora . Otro tipo de bomba de flujo radial es una bomba de vórtice. El líquido que contienen 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 mediante múltiples giros, que son excitados por el impulsor en el canal de trabajo de la bomba. Generalmente, una bomba de flujo radial funciona a presiones más altas y caudales más bajos que una bomba de flujo axial o mixto.
También se las conoce 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 caudales más altos que las bombas de flujo radial (centrífugas). Las bombas de flujo axial no pueden acelerarse sin precauciones especiales. Si se trata de un caudal bajo, el aumento total de la altura y el alto par asociado con esta tubería significarían que el par inicial tendría que convertirse en una función de la aceleración de toda la masa de líquido en el sistema de tuberías. [25]
Las bombas de flujo mixto funcionan como un compromiso entre bombas de flujo radial y axial. El fluido experimenta aceleración radial y elevación 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, entregan caudales más altos que las bombas de flujo radial. El ángulo de salida del flujo dicta la característica de presión-descarga en relación con el flujo radial y mixto.
También conocidas como bombas de arrastre , fricción , bomba de anillo líquido , periféricas , de tracción , de turbulencia o de vórtice , las bombas de turbina regenerativas son una clase de bomba rotodinámica que opera a altas presiones de cabeza, típicamente de 4 a 20 bares (400 a 2000 kPa; 58 –290 psi). [26]
La bomba tiene un impulsor con varias paletas 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 separador , que permite que solo el canal de la punta (fluido entre las palas) recircule y fuerza cualquier fluido en el canal lateral (fluido en la cavidad exterior de las aspas) 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 de regreso a la siguiente paleta, se imparte energía cinética a la periferia, [26] por lo que la presión aumenta con cada espiral, de manera similar a un soplador regenerativo. . [27] [28] [29]
Como las bombas de turbina regenerativas no pueden bloquearse por vapor , se aplican comúnmente para el transporte de fluidos volátiles, calientes o criogénicos. Sin embargo, como las tolerancias suelen ser estrictas, son vulnerables a que los sólidos o partículas provoquen atascos o desgaste rápido. La eficiencia suele ser baja y la presión y el consumo de energía suelen disminuir con el flujo. Además, la dirección de bombeo se puede invertir invirtiendo la dirección de giro. [29] [27] [30]
Una bomba de canal lateral tiene un disco de succión, un impulsor y un disco de descarga. [31]
Para ello se utiliza un chorro, a menudo de vapor, para crear una presión baja. Esta baja presión aspira líquido y lo impulsa a una región de mayor presión.
Las bombas de gravedad incluyen el sifón y la fuente de Heron . El ariete hidráulico a veces también se denomina bomba de gravedad. En una bomba de gravedad el fluido es elevado por la fuerza gravitacional.
Las bombas de vapor han tenido durante mucho tiempo un interés principalmente histórico. Incluyen cualquier tipo de bomba accionada por 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 eran viables debido a la creciente ineficiencia a medida que las máquinas de vapor disminuían de tamaño. Sin embargo, el uso de materiales de ingeniería modernos junto con configuraciones de motor alternativas ha significado que estos tipos de sistemas sean ahora una oportunidad rentable.
El bombeo sin válvulas ayuda en el transporte de fluidos en diversos 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 fluido de un sistema sin válvulas no es necesariamente menor que la del sistema con válvulas. De hecho, muchos sistemas fluidodinámicos 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 los vertebrados comienza a bombear sangre mucho antes de que se desarrollen cámaras y válvulas discernibles. De manera 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 manipular biofluidos sensibles. Las impresoras de inyección de tinta que funcionan según el principio de transductor piezoeléctrico también utilizan bombeo sin válvulas. La cámara de la bomba se vacía a través del chorro de impresión debido a la reducida impedancia del flujo en esa dirección y se rellena por acción capilar .
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 concienzudos. En vista de ese hecho, el prefacio del Manual del usuario de bombas de 2006 alude a estadísticas de "fallas de bombas". Por conveniencia, estas estadísticas de fallas a menudo se traducen a MTBF (en este caso, vida instalada antes de la falla). [32]
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 alrededor de 100 bombas; varias plantas tenían más de 2000. Todas las instalaciones estaban ubicadas en los Estados Unidos. Además, consideradas como “nuevas”, otras como “renovadas” y otras más como “establecidas”. 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, las bombas han sido históricamente artículos "desechables" ya que los ataques químicos limitan la vida. Las cosas han mejorado en los últimos años, pero el espacio algo restringido disponible en los "viejos" prensaestopas estandarizados según DIN y ASME 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 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 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 2600 y 12 000 dólares estadounidenses. 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 informes reales del año 2002, cuesta en promedio 5.000 dólares estadounidenses. Esto incluye costos de material, piezas, mano de obra y gastos generales. Ampliar el MTBF de una bomba de 12 a 18 meses ahorraría 1.667 dólares al año, lo que podría ser mayor que el costo de mejorar la confiabilidad de la bomba centrífuga. [32] [1] [33]
Las bombas se utilizan en toda la sociedad para diversos fines. 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 llamada 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 gran cantidad de formas y tamaños: desde muy grandes hasta muy pequeñas, desde el manejo de gas hasta el manejo de líquidos, de alta presión a baja presión y de alto volumen a bajo volumen.
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. A esto se le llama cebar la bomba. La pérdida de cebado suele deberse a la entrada de aire en la bomba. Las holguras y relaciones de desplazamiento en las bombas para líquidos, ya sean finos o más viscosos, normalmente 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.
Sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo tienden a tener un sellado suficientemente hermético entre las piezas móviles y la carcasa o alojamiento de la bomba que pueden describirse como autocebantes . Estas bombas también pueden servir como bombas de cebado , denominadas así cuando se utilizan para satisfacer la necesidad de otras bombas en lugar de la acción realizada por un operador humano.
Un tipo de bomba que alguna vez fue común en todo el mundo fue una bomba de agua accionada manualmente, o "bomba de jarra". Comúnmente se instalaba sobre pozos de agua comunitarios en la época anterior al suministro de agua por tubería.
En algunas partes de las Islas Británicas, a menudo se la llamaba bomba parroquial . Aunque este tipo de 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. [37]
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 1854 en Broad Street . En ese momento no se sabía cómo se transmitía el cólera, pero el médico John Snow sospechaba que había agua contaminada y le quitaron la manija de la bomba pública que sospechaba; el brote luego disminuyó.
Las modernas bombas comunitarias manuales se consideran la opción más sostenible y de bajo costo para el suministro de agua potable en entornos de escasos recursos, a menudo en zonas 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 económicas 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.
Las aplicaciones de bombeo multifásico, 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 más 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 un solo equipo, que ocupa menos espacio. A menudo, se instalan dos bombas multifásicas más pequeñas en serie en lugar de tener una sola bomba enorme.
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 llama bomba Poseidón y puede describirse como un cruce entre un compresor axial y una bomba centrífuga.
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 volumen de gas elevadas y condiciones de entrada fluctuantes. Se requieren cuatro sellos mecánicos para sellar los dos ejes.
Cuando la aplicación de bombeo no es adecuada para una bomba centrífuga, se utiliza en su lugar una bomba de cavidad progresiva. [38] Las bombas de cavidad progresiva son del tipo de un solo tornillo que normalmente se utilizan 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 tierra. La eficiencia volumétrica y la eficiencia mecánica de una bomba de cavidad progresiva aumentan a medida que lo hace la viscosidad del líquido. [38]
Estas bombas son básicamente bombas centrífugas multietapa y se utilizan ampliamente en aplicaciones de pozos petroleros como método de elevación artificial. Estas bombas generalmente se especifican cuando el fluido bombeado es principalmente líquido.
Tanque de compensación 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 intermedio rompe la energía del líquido, suaviza las posibles fluctuaciones en el flujo entrante y actúa como 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 la máxima vida útil del sello y su efectividad general. [39] [40] [41]
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 el número 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.
La potencia impartida a un fluido aumenta la energía del fluido por unidad de volumen. Por tanto, la relación de potencia se da entre la conversión de la energía mecánica del mecanismo de la bomba y los elementos fluidos 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 utilizar una ecuación más simple que relaciona sólo 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 de presión total entre la entrada y la salida (en Pa), y Q, el caudal volumétrico del fluido se da 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 cambios en la energía potencial gravitacional del fluido (subiendo o bajando colinas), cambios en la velocidad o cambios en la presión estática. η es la eficiencia de la bomba y puede venir dada por la información del fabricante, como en forma de curva de bomba, y generalmente se deriva de una simulación de dinámica de fluidos (es decir, soluciones de 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 de las condiciones de funcionamiento (como la velocidad de rotación, la densidad y viscosidad del fluido, etc.)
Para una configuración típica de "bombeo", el trabajo se imparte al fluido y, por tanto, es positivo. Para el fluido que imparte 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 incluye bombas sin partes móviles, como un sifón .
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 determinada, la eficiencia es función del caudal y por tanto también de la altura de funcionamiento. 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 los caudales aumentan aún más. Los datos de rendimiento de la bomba como este generalmente los proporciona el fabricante antes de seleccionar la bomba. La eficiencia de las bombas tiende a disminuir con el tiempo debido al desgaste (por ejemplo, aumento de 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 carga y flujo con la bomba para que funcione en el punto de máxima eficiencia o cerca de él.
La eficiencia de las bombas es un aspecto importante y las bombas deben probarse periódicamente. La prueba de bomba termodinámica es un método.
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 mal desempeño. [42] Un sistema de protección de flujo mínimo garantiza que la bomba no funcione por debajo del caudal mínimo. El sistema protege la bomba incluso si está cerrada o sin cabeza, es decir, si la línea de descarga está completamente cerrada. [43]
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 el paso del flujo mínimo de la bomba. [44] La disposición garantiza 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 (ver diagrama) comprende un dispositivo de medición de flujo (FE) en la descarga de la bomba que proporciona una señal a un controlador de flujo (FIC) que acciona una válvula de control de flujo (FCV) en la línea de reciclaje. Si el flujo medido excede el flujo mínimo, entonces la FCV se cierra. Si el flujo medido cae por debajo del flujo mínimo, la FCV se abre para mantener el caudal mínimo. [42]
A medida que los fluidos se reciclan, la energía cinética de la bomba aumenta la temperatura del fluido. En 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. [45] Alternativamente, los fluidos reciclados pueden devolverse aguas arriba del enfriador de exportación en una refinería de petróleo , terminal petrolera o instalación costa afuera .
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