UNIDAD IV BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

UNIDAD IV BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

 

 

 

4.1 CLASIFICACION Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

 

 

El órgano principal de las máquinas de desplazamiento positivo, que designaremos con el nombre genérico de desplazador,  tiene la misión de intercambiar energía con el líquido, lo que implica un desplazamiento del mismo. Este órgano admite infinidad de diseños, y el campo abierto a la imaginación del ingeniero proyectista es tan grande que constantemente aparecen en el mercado nuevas formas constructivas.

Sin embargo, es fácil clasificar estos diseños atendiendo a dos criterios distintos:

Primer criterio: Según el tipo de movimiento del desplazador las máquinas de desplazamiento positivo se clasifican en:

 

·       Máquinas alternativas y

·       máquinas rotativas.

 

El principio de desplazamiento positivo en las máquinas alternativas se explicó por medio de la Fig. 1. La Fig.2 demuestra que el mismo principio se puede realizar en una máquina rotativa. La figura representa una bomba de paletas deslizantes.

Al girar el rotor excéntrico con relación a la carcasa en sentido de las agujas del reloj de A a B aumenta el volumen, se crea una succión y entra el líquido por el conducto y la lumbrera de admisión; de B a A  el volumen entre el rotor y la carcasa disminuye y el líquido es impulsado por la lumbrera y el conducto de salida: el principio de funcionamiento de esta máquina es, pues, el mismo que el de una bomba de émbolo: un volumen que aumenta y realiza la succión y luego disminuye realizando la impulsión: de nuevo el principio de desplazamiento positivo.

 

Segundo criterio: Según la variabilidad del desplazamiento se clasifican en:

·       Máquinas de desplazamiento fijo y  

·       Máquinas de desplazamiento variable.

 

La variación del desplazamiento en una máquina alternativa es fácil: basta variar la carrera del émbolo. En algunas máquinas rotativas también es fácil. Por ejemplo, en la Fig. 2, para variar el desplazamiento basta variar la excentricidad del rotor.

 

Desplazamiento, A es el volumen desplazado en una revolución. Por tanto el caudal, Q, en las máquinas de desplazamiento positivo será:

Q=Dn

 

En muchas aplicaciones interesa variar el caudal. Según la Ec. (3) esto puede lograrse variando n; pero no es recomendable y se usa poco. Lo más ordinario es variar D, como se acaba de explicar. En resumen, atendiendo a los dos criterios enunciados, las máquinas de desplazamiento positivo se clasifican en cuatro grupos:

 

1. Máquinas alternativas de desplazamiento fijo;

2. Máquinas alternativas de desplazamiento variable;

3. Máquinas rotativas de desplazamiento fijo;

4. Máquinas rotativas de desplazamiento variable. Los grupos 1 y 2, o máquinas alternativas, tienen dos campos de aplicación distintos: Primer campo de aplicación: bombeo de líquidos.

 

Segundo campo de aplicación: transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos.

 

En el primer campo se utilizan mucho las bombas de émbolo de diferentes tipos que estudiaremos en este capítulo. En el segundo campo se utilizan los cilindros hidráulicos y neumáticos.

 

Los grupos 3 y 4 o máquinas rotoestáticas se estudiarán más adelante.

 

 

 

BOMBAS ROTATORIAS.

Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de "aventar" el liquido como en una bomba centrifuga, una bomba rota y a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. Pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos. Incluso puede existir la presencia de sólidos duros en el liquido si una chaqueta de vapor alrededor de la caja de la bomba los puede mantener en condición fluida.

BOMBAS DE MEMBRANA

También llamadas bombas de diafragma son un tipo de bombas de desplazamiento positivo (generalmente alternativo) que utilizan paredes elásticas (membranas o diafragmas) en combinación con válvulas de retención (check) para introducir y sacar fluido de una cámara de bombeo.

 

Las principales ventajas de estas bombas son:

• Costo de mantención bajos. No tienen sellos mecánicos.
• Inversión inicial menor.
• Manipula productos abrasivos.
• Manipula fluidos viscosos.
• Bombea productos sensibles al esfuerzo de corte sin dañarlos.
• Diversidad de materiales según el tipo de fluido.
• Aplicaciones en ambientes inflamables y explosivos.
• Aplicaciones sumergibles.

Bombas de Pistón

Estas bombas son hidráulicas de desplazamiento positivo, utilizan dos o tres pistones los cuales en conjunto permiten bombear un volumen cierto de fluido de acuerdo a la velocidad a la que esta se mueva. las bombas de pistón tiene una presión constante la cual depende directamente del diámetro de su pistón. El flujo de salida y entrada a estas bombas es el que varía de acuerdo a la velocidad de la bomba y al diámetro y a la carrera del pistón. Cuentan con válvulas de carga y descarga y su sistema motriz es parecido al de el motor de un automóvil.

 

 

4.2 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

 

 

El funcionamiento de las máquinas de desplazamiento positivo no se basa, como el de lasturbomáquinas, en la ecuación de Euler, sino en el principio del desplazamiento positivo que se estudia a continuación. En el interior del cilindro de la Fig. 26-1 en que se mueve un émbolo con movimiento uniforme y velocidad v hay un fluido a la presión p.

Supondremos que tanto el cilindro como el émbolo son rígidos o indeformables y que el fluido es incompresible. El movimiento del émbolo se debe a la fuerza aplicada F.

El émbolo al moverse desplaza al fluido a través del orificio de la figura. Si el émbolo recorre un espacio l hacia la izquierda el volumen ocupado por el líquido se reducirá en un valor igual a Al (donde A—área transversal del émbolo). Como el fluido es incompresible el volumen de fluido que sale por el orificio será también Al. El tiempo t empleado en recorrer la distancia l es t=l/v

El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara.

Por tanto, en una máquina de desplazamiento positivo

 

·       El órgano intercambiador de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotativo (rotor). Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo tanto alternativas como rotativas, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión en una bomba) y disminuye de volumen (impulsión). Por eso estas máquinas se llaman también máquinas volumétricas.

Además, si el órgano transmisor de energía tiene movimiento rotativo, la máquina se llama rotoestática para distinguirlas de las rotodinámicas.

 

Una máquina rotoestática es una máquina de desplazamiento positivo de movimiento rotativo.

 

·       El intercambió de energía de fluido se hace siempre en forma de presión, en contraposición a las turbomáquinas, en que los cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido juegan un papel esencial.

 

·       La curva característica o curva H—Q de una turbomáquina, por ejemplo, de una bomba revela que la bomba sólo puede alcanzar una altura (presión) máxima que, según la ecuación de Euler, depende de la forma del rodete. Por el contrario, supongamos que la Fig. 1 represente una bomba de émbolo. Es evidente que, teóricamente, el caudal Q no dependerá de la resistencia en la tubería de impulsión, que se reflejará en un aumento de la presión p que reine en el cilindro, ya que dada una velocidad de émbolo r, el desplazamiento será el mismo, y el caudal también. Además, si las paredes del émbolo son suficientemente robustas, y el motor de accionamiento es suficientemente potente, la bomba proporcionará toda la presión que se le pide. Teóricamente la curva H—Q de una bomba de desplazamiento positivo será una paralela al eje H.

 

·       Las turbomáquinas basadas en la ecuación de Euler en general no son reversibles; una bomba roto dinámica al funcionar como turbina empeora su rendimiento, y en algunos casos es incapaz de producir potencia útil alguna. La razón es que los ángulos de los álabes juegan un papel decisivo en la transmisión de la energía, y al funcionar como turbina los álabes no poseen ya los ángulos apropiados. Por el contrario, el principio de desplazamiento positivo hace que todas las máquinas basadas en él sean fundamentalmente reversibles. El que algunas máquinas prácticamente no lo sean no es en virtud de la hidráulica, sino de la mecánica del aparato. Por ejemplo, ciertas bombas de paletas deslizantes funcionando como motor a pequeñas velocidades pueden no llegar a desarrollar la fuerza centrífuga necesaria para producir suficiente estanqueidad.

 

En las transmisiones y controles se emplean casi exclusivamente las máquinas de desplazamiento positivo; quedando casi eliminadas de este dominio las turbomáquinas.

 

Para ello existen dos razones:

 

1.- En las turbomáquinas al variar la presión varía el caudal. Si, por ejemplo, se emplease una bomba rotodinámica para el sistema de presión del accionamiento hidráulico de una excavadora, al encontrar ésta mayor resistencia en el terreno, se reduciría la velocidad de trabajo de la misma. Si se emplea una bomba rotoestática no.

 

2.-Una bomba rotodinámica da una presión máxima. Si aumenta la resistencia aumenta la presión necesaria en la bomba, que no puede exceder dicho valor máximo y la máquina se calaría. La bomba rotoestática, no.

 

 

4.3 CALCULO, SELECCION Y APLICACION

 

 

Al seleccionar bombas para una aplicación dada, tenemos varias bombas entre las que elegir. Haremos lo posible para seleccionar una bomba que opere con un rendimiento relativamente alto para las condiciones de funcionamiento dadas.

Los parámetros que se deben investigar incluyen la velocidad específica Ns, el tamaño D del impulsor y la velocidad de operación n. Otras posibilidades son el uso de bombas multietapa, bombas en serie, bombas en paralelo, etc. Incluso, bajo ciertas condiciones, limitar el flujo en el sistema puede producir ahorros de energía.

El objetivo es seleccionar una bomba y su velocidad de modo que las características de funcionamiento de la bomba en relación al sistema en el cual opera sean tales que el punto de funcionamiento esté cerca del PMR (punto de máximo de rendimiento). Esto tiende a optimizar el rendimiento de la bomba, minimizando el consumo de energía.

El punto de operación puede desplazarse cambiando la curva características de la bomba, cambiando la curva característica del sistema o cambiando ambas curvas. La curva de la bomba puede modificarse cambiando la velocidad de funcionamientos de una bomba dada o seleccionando una bomba distinta con características de funcionamiento diferentes. En algunos casos puede ser una ayuda ajustar el impulsor, es decir, reducir algo su diámetro, alrededor de un 5 por 100, mediante rectificado. Este impulsor mas reducido se instala en la cubierta original. La curva característica del sistema puede cambiarse modificando el tamaño de la tubería o estrangulando el flujo.

Una complicación que se presenta a menudo es que los niveles de ambos extremos del sistema no se mantienen constantes, como ocurre si los niveles de los depósitos fluctúan. En tal caso es difícil alcanzar un rendimiento alto para todos los modos de funcionamiento. En casos extremos a veces se utiliza un motor con velocidad variable.

El procedimiento de selección de una bomba que permita una recirculación segura es selecciones una bomba que produzca el flujo de descarga Qa deseado. La curva E es la característica de carga y capacidad de la bomba y la curva a es la de carga del sistema para la descarga hacia el tanque A. La bomba funciona con una carga de Hop.

Para incluir circulación continua en el sistema de bombeo, hay que aumentar el caudal de la bomba con la carga Hop de funcionamiento para mantener una descarga de Qa hacia el tanque A y, al mismo tiempo, una recirculación Qb de retorno al tanque B. Para lograrlo, se selecciona el tamaño inmediato mayor de impulsor con la curva de rendimiento F.

Si se conoce el flujo Qb con la curva Hop de funcionamiento para orificio y tubo de recirculación, el flujo de recirculación Qs, en el punto de corte de la bomba se puede determinar con:

en donde H, es la carga de corte de la bomba con la curva de rendimiento F.

Calcúlese el flujo mínimo seguro, Qmin, para la bomba con curva de rendimiento F y la ecuación (2) y conviértase Wmin a Qmin.

Compárese la recirculación, Qs, en el punto de corte de la bomba contra el flujo seguro mínimo, Qmin. Si Qs, es mayor que o igual a Qmin, esto concluye el proceso de selección.

Si Q, es menor que Qmin, selecciónese el tamaño inmediato mayor de impulsor y repítase los pasos 3, 4 y 5 hasta

Determinar el tamaño de impulsor que produzca la recirculación mínima segura.