Tipos de bombas de desplazamiento positivo y principió de funcionamiento PDF

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Trabajo que enuncia la definición de las bombas de desplazamiento positivo, su principio de funcionamiento, y principalmente los tipos de bobas que podemos encontrarnos en la industria....

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Contenido DEFINICION. ............................................................................................................................2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. .......................................................................................2 TIPOS Y SUS APLICACIONES. .............................................................................................4 BOMBAS ALTERNANTES. ...........................................................................................................4 Accionadas por vapor (steam pumps). ..............................................................................5 Bombas de protección o de fuerza (power pumps). ..........................................................6 Bombas de descarga controlada. ......................................................................................7 BOMBAS ROTATIVAS. ................................................................................................................7 Bomba de paletas deslizantes (sliding-vane pumps). ........................................................8 Bombas de paleta en el estator (external-vane pump). .....................................................8 Bombas de pistón radial (radial pistón)..............................................................................9 Bomba de paletas flexibles (flexible vane pumps). ..........................................................10 Bombas de guía flexible (squeegee pumps or flexible liner pumps). ...............................10 Bomba peristáltica. ..........................................................................................................10 Bomba de tornillo (Screw pump)......................................................................................11 Bombas de engranes externos. .......................................................................................12 Bomba de engranaje interno con crecimiento. ................................................................13 Bombas de lóbulos. .........................................................................................................13 FUENTES CONSULTADAS...................................................................................................14

DEFINICION. Aunque el nombre de desplazamiento positivo no es el más adecuado, este es el más usual, pero también se les conoce como bombas volumétricas. Este proviene de una traducción literal de “Positive Displacement Pumps”. El fluido que se desplaza siempre está contenido entre el elemento impulsor y la carcasa o cilindro. Poseen una o más cámaras, en cuyo interior el movimiento de un elemento propulsor comunica energía de presión al líquido, provocando su desplazamiento. La característica principal, consiste en que una partícula liquida en contacto con el elemento propulsor encargado de comunicar la energía, tiene la misma trayectoria que el punto del elemento que toca.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. El funcionamiento no se basa como en las turbomáquinas, en la ecuación de Euler, sino en el principio del desplazamiento positivo.

El movimiento del embolo se debe a la fuerza aplicada 𝐹. El embolo al moverse desplaza al fluido a través del orificio. Si el embolo recorre un espacio 𝑙 hacia la izquierda, el volumen que ocupa el líquido se reducirá con un valor igual a 𝐴 ∙ 𝑙 (donde 𝐴 es igual al área transversal del embolo). Como el fluido es incompresible, el volumen del fluido que sale por el orificio también será 𝐴 ∙ 𝑙. El tiempo 𝑡 empleado en recorrer la distancia 𝑙 es: 𝑡=

𝑙 𝑉

El gasto 𝑄, o volumen desplazado en la unidad de tiempo, será: 𝑄=

𝐴𝑙 = 𝐴𝑉 𝑡

Si no hay fricción, la potencia comunicada al fluido será: 𝑃 = 𝐹𝑉 Pero 𝐹 = 𝑝𝐴 𝑃 = 𝐹𝑉 = 𝑝𝐴𝑉 = 𝑄𝑝 Según se aprecia en el diagrama de la figura la maquina puede funcionar como bomba o motor, es decir, puede absorber potencia mecánica, 𝐹𝑉 , y restituir potencia hidráulica 𝑄𝑝 (bomba) o viceversa. Por lo que es evidente que: El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. En estas máquinas siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye de volumen (impulsión). Por ello también llamadas bombas volumétricas. Algunas de las diferencias que podemos encontrar entre las turbomáquinas y las de desplazamiento positivo son:  El intercambio de energía se efectúa con variación de presión, a diferencia de las turbomáquinas que es con variación de energía cinética.  La curva Q-H de una turbomáquina, puede dar una altura (presión) máxima, según la ecuación de Euler dependiendo del rodete. Por lo contrario, la volumétrica, el gasto no depende de la carga del sistema, sino del desplazamiento y velocidad, por lo cual teóricamente la curva Q-H será paralela al eje H.  Las turbomáquinas no son reversibles, por lo contrario, las basadas en el desplazamiento positivo fundamentalmente son reversibles. El que algunas no lo sean en la práctica, se debe a la mecánica del aparato.

En las transmisiones y controles se emplean casi exclusivamente las máquinas de desplazamiento positivo; quedando casi eliminadas de este dominio las turbomáquinas. El principio de desplazamiento positivo demuestra que cualquier presión es alcanzable; sin embargo, las bombas de embolo son adecuadas para grandes presiones y pequeños caudales, y las bombas rotodinámicas para presiones reducidas y gastos elevados. Las bombas rotodinámicas (centrífugas y axiales) trabajan a más revoluciones por minuto que las de embolo.

TIPOS Y SUS APLICACIONES. Estas bombas se dividen en dos grupos principales:

Bombas alternantes. También denominadas reciprocantes o de embolo para manejo de líquidos y gases, operadas por vapor y mecánicamente. El líquido recibe la acción de las fuerzas directamente de un pistón o embolo o de una membrana flexible. Estás pueden ser accionadas manualmente o con una maquina motriz. Además, estas bombas son auto-cebantes.

Estas pueden ser:      

Simple efecto: cuando apenas una cara del embolo actúa sobre el líquido. Doble efecto: cuando las dos caras del embolo actúan. Simplex: cuando existe apenas una cámara con pistón o embolo. Duples: cuando son dos los pistones o émbolos. Tríplex: cuando son tres pistones o émbolos. Multiplex: cuando son cuatro o más los pistones o émbolos.

Fig. Bomba de embolo de simple efecto.

Fig. Bomba alternante de pistón de doble efecto.

Según el Hydraulic Institute Standards, la clasificación es la siguiente: Accionadas por vapor (steam pumps). También denominadas de acción directa, poseen una asta con pistón en cada extremidad. Uno de los pistones recibe la acción del vapor a través de una válvula de distribución de los tipos gavetas o pistón, típicos de las maquinas a vapor, de modo que esas bombas son de doble efecto.

Fig.Representación esquemática de una bomba de acción directa accionada por vapor.

Estas pueden ser: -Desplazamiento horizontal.

-Desplazamiento vertical.

Con relación al órgano propulsor del líquido puede ser de: -Pistón. -Embolo (pluger). El embolo es de cierto modo un pistón alargado. En cuanto al número de cilindros, se divide en: -Simplex.

-Dúplex.

Estas bombas son empleadas en la alimentación de agua de las calderas, pues aprovecha el vapor generado en la caldera para su propio accionamiento. Bombas de protección o de fuerza (power pumps). Son accionadas por motores eléctricos o de combustión interna, siendo el movimiento transmitido por el mecanismo del sistema eje-manivela-biela-cruceta-pistón. Normalmente poseen un volante destinado a garantizar mayor regularidad de funcionamiento. Se pueden subdividir en: -Simple efecto. -Doble efecto. -Simplex.

-Desplazamiento vertical. -De pistón. -Dúplex.

-Desplazamiento horizontal. -De embolo. -Multiplex.

Algunas de las implementaciones de estas bombas son en el accionamiento de prensas, en la industria del caucho, algodón, petróleo, cerámica, etc.

Fig. Bomba de embolo, de potencia horizontal, simple efecto, simplex.

Fig. Bomba de embolo de potencia vertical, simple efecto, simplex.

Bombas de descarga controlada. También conocidas como bombas medidoras, bombas dosificadoras o de inyección de productos químicos, son bombas que se desplazan con presión un determinado volumen de un líquido en un tiempo establecido. Son accionadas por motores usando en general mecanismos del tipo eje de manivela-biela. Pueden ser de los tipos horizontal y vertical. Se dividen en bombas dosificadoras de:  Embolo.  Pistón.  Diafragma. La cual puede ser:  Acoplamiento mecánico directo (bombas de gasolina o alcohol en vehículos automotores).  Acoplamiento hidráulico (en las bombas medidoras propiamente dichas). Estas pueden ser activadas de manera manual o automática. Como se menciona con anterioridad, básicamente este tipo de bomba es usada como dosificadora, por ejemplo, LA GRUMAT Compañía Electrónica Mecánica Ltda. fabrica la bomba dosificadora A.30 para ácido sulfúrico, bicromato de sodio, carbonato de sodio, soda caustica y muchos otros productos químicos. De igual manera las bombas de descarga controlada pueden diseñarse para transportar más de una sustancia.

Fig. Bomba de dafragma, con embolo horizontal actuado sobres aceite.

Fig. Bomba NSP de OMEL. Combinación de bomba de pistón y de diafragma.

Bombas rotativas. Bombas rotativas o rotoestáticas, como su nombre lo menciona son aquellas donde el líquido fluye por acción las fuerzas que se generan por uno o más elementos dotados de movimiento de rotación (engranajes, aspas, levas, tornillos, etc.). También son auto-cebantes. Este tipo de bombas se divide principalmente en bombas de un solo rotor y en bombas de más de un rotor.

Bomba de paletas deslizantes (sliding-vane pumps). Las paletas deslizantes son muy empleadas en alimentación de calderas. Son autocebantes y pueden ser empeladas también como bombas de vacío. En los comandos hidráulicos, se bombea aceite hasta presiones del orden de 175𝑘𝑔𝑓 ∙ 𝑐𝑚−2 , además en general la presión obtenida con estas bombas varia de 7 𝑎 20𝑘𝑔𝑓 ∙ 𝑐𝑚−2. Giran con rotaciones entre 20 𝑦 500 𝑟𝑝𝑚, y las descargas varían de 3 𝑎 20𝑚3⁄ ℎ existiendo bombas con descargas superiores. Las paletas se desplazan en el interior de ranuras de un cilindro giratorio y son cambiadas con facilidad, cuando se gastan. Estas pueden ser de dos modalidades:  De descarga constante, de uso general y más comunes.  De descarga variable. Usados en circuitos oleodinámicos.

Fig. Paletas deslizantes en el rotor.

Fig. Partes de una bomba de paletas deslizantes.

Bombas de paleta en el estator (external-vane pump). Poseen un cilindro giratorio elíptico que desplaza una paleta que es guiada por una ranura en la carcasa de la bomba. el paso propio de la paleta, auxiliar por la acción de una mola, hace que la paleta mantenga siempre contacto con la superficie de rotor elíptico, proporcionando el flujo conforme indica la figura. Fig. Paletas deslizantes en el estator.

Bombas de pistón radial (radial pistón). En el eje del motor posee dos excéntricos C desfasados 180° que mueve cada cual un tambor que contiene un embolo A que se desplaza en un eje rotativo P articulado. Al girar el tambor, el embolo oscila subiendo y bajando, actuando como una válvula de control de líquido desde la boca de aspiración hasta la de suministro.

Fig. Pistón radial.

Las bombas de pistón radial pueden contar con más de uno y constan de un tambor excéntrico o rotor que contiene orificios cilíndricos donde son colocados los pistones y que giran en el interior de una caja en torno a un pivote distribuidor fijo. Al girar el rotor, la fuerza céntrica mantiene los pistones en contacto con la parte cilíndrica interna de la carcasa. cuando un pistón se aproxima al centro, distribuye el liquido en el pivote distribuidor central, y cuando se expulsa, forma el vacío necesario para la aspiración. Los canales de aspiración y suministro en el pivote distribuidos son independientes y operan en sincronización con el doble rotor. Alternando la excentricidad del rotor, se consigue la variación de descarga deseada.

Fig. Partes de una bomba de pistones radiales.

Bomba de paletas flexibles (flexible vane pumps).

Fig. Paletas flexibles.

El rotor posee aspas de caucho de gran flexibilidad, que durante el movimiento se rotación se curvan, permitiendo que entre cada dos de ellas se conducido un volumen de líquido desde la boca de aspiración hasta la de suministro. Deben girar con baja rotación, y la presión que alcanza es reducida. En la parte superior interna de la carcasa existe una “creciente” para evitar el retorno del líquido al lado de aspiración.

Bombas de guía flexible (squeegee pumps or flexible liner pumps). Un excéntrico desplaza una pieza tubular (camisa) que en su parte de encima tiene una paleta guiada por una ranura fija. La figura indica el sentido del flujo del liquido cuando el eje gira en el sentido contrario al de las agujas del reloj.

Fig. Guía flexible.

Bomba peristáltica. También conocida como bomba de tubo flexible (flexible tube pump). En el interior de una caja circular, una rueda excéntrica, dotada en ciertos casos de dos o tres rodillos diametralmente opuestos, comprime un tubo de caucho muy flexible y resistente. Al paso de los rodillos comprimidos el tubo efectuó un flujo pulsante del líquido contenido en el, razón por lo que se denomina y es como más se conoce. Fig. Bomba de tubo flexible o de rollo.

Se percibe que el liquido pasa a lo largo del tubo sin contacto con parte alguna de la bomba. Por esto, se puede emplear para líquidos altamente corrosivos, como el acido acético, clorhídrico, fosfórico, crómico, sulfúrico, nítrico, fluorhídrico, etc. Se usa en el caso de baños electrolíticos de fosfatación y para lixiviación, líquidos abrasivos, viscosos, productos alimenticios, soluciones radioactivas y líquidos venenosos. Ciertas bombas peristálticas especiales han sido empleadas en la circulación de sangre durante intervenciones quirúrgicas del corazón, funcionando como corazón artificial.

Fig. Partes de una bomba peristáltica.

Bomba de tornillo (Screw pump). Bomba de tornillo único o bomba helicoidal de cámara progresiva, concebida por el francés Moireau, consta de un rotor que es un tornillo helicoidal que gira en el interior de un estator elástico, también con forma de tornillo, con perfil de hélice doble.

Fig. Tornillo rotor helicoidal de Peerlees Pump Division FMC.

Se pueden encontrar bombas de dos o tres tornillos, conforme al tipo seleccionado y equivalente técnicamente a una bomba de pistón con carrera infinita. Las bombas de tronillos conducen líquidos y gases sin impurezas mecánicas y alcanzan presiones hasta de 200𝑘𝑔𝑓 ∙ 𝑐𝑚−2. Giran con elevada rotación (hasta 10000 𝑟𝑝𝑚) y tiene capacidad de bombear de 3 𝑎 300 𝑚3⁄ ℎ. Los dientes no transmiten movimiento para que no se desgasten. El movimiento se realiza con engranajes localizados en la caja de aceite para lubricación. Son silenciosas sin pulsaciones.

Fig. Bomba de tres tornillos.

Una de las modalidades de las bombas de tornillos de grandes aplicaciones en la industria, es la bomba de huso. El formato y el trazado de los dientes helicoidales rectangulares (Square

thread rotors) caracterizan este tipo de bombas, sin embargo, otras bombas de tornillo con dientes de otros perfiles se han designado por este nombre. Estas son silenciosas y sin pulsación. Se emplean bomba de huso para bombear substancias que poseen acción lubricante o medio lubricante, viscosas o no, desde que no contengan sustancias solidas abrasivas.

Fig. Bomba de tornillo doble, tipo 32-2 de la Society Industrialle Suisse.

Bombas de engranes externos. Se destinan al bombeo de sustancias liquidas y viscosas, lubricantes o no, así contengan partículas o cuerpos solidos granulados. Considerando la figura, cuando las ruedas giran, el liquido a bombear penetra el espacio entre dos dientes ubicados al lado de la aspiración y es aprisionado y conducido hasta la boca de suministro de la bomba. La comunicación en la zona central, entre el suministro de aspiración se encuentra cerrada debido al contacto de los dientes que se hallan engranados.

Fig. Bomba de engranajes.

Una pequeña cantidad de liquido L, retenido entre la punta de un diente y el intervalo entre otros dos, es desplazada desde el lado de suministro hacia el lado de aspiración. Alguna otra cantidad fluye en la fuga existente entre la caja y las superficies laterales de los dientes. Como consecuencia, la descarga, las cabezas de aspiración y de suministro dependen considerablemente de las condiciones de engrane, de las fugas previstas y de la precisión de uso. Los dientes pueden ser rectos o helicoidales. Cuando son helicoidales, ocurre un esfuerzo longitudinal en la acción de engranamiento, paralelamente al eje. Puede anularse ese esfuerzo, que se transmite a los cojinetes de apoyo, adoptándose ruedas dentadas helicoidales dobles.

Bomba de engranaje interno con crecimiento. Posee una rueda dentada exterior unida a un eje y una rueda dentada libre interna accionada por la externa. A cada rotación del eje de la bomba, una determinada cantidad de liquido es conducido al interior de la bomba, llenando los espacios entre los dientes de la rueda y de la rueda libre cuando pasan por la apertura de aspiración. El líquido es expedido dos espacios entre los dientes en dirección a la salida de la bomba. La figura muestra la bomba de la Viking Pump Company, aplicable al bombeo de chocolate, asfalto, éter, etc., se consiguen presiones de 8𝑘𝑔𝑓 ∙ 𝑐𝑚−2 en loa modelos estándar y de 14𝑘𝑔𝑓 ∙ 𝑐𝑚−2 en modelos especiales.

Fig. Bomba de engranajes internos con crecimiento de la Viking Pump Company.

Bombas de lóbulos. Estas bombas tienen dos rotores, cada cual, con dos, tres y hasta cuatro lóbulos, de acuerdo con el tipo. El rendimiento volumétrico de las bombas de tres lóbulos es superior al de solo dos, y por ello son más empleadas. Las bombas de lóbulos son usadas en el bombeo de productos químicos, líquidos lubricantes o no lubricantes de todas las viscosidades.

Fig. Bomba de lóbulos dobles tipo root.

Fig. Bomba de lóbulos triples....