BOMBA HIDRÁULICA

Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

La bomba hidráulica ha estado en uso durante siglos, pero comenzó a caer en desgracia cuando la electricidad y bombas eléctricas fueron ampliamente disponibles. Más recientemente, sin embargo, ha habido un renovado interés en la bomba hidráulica como una manera de llevar agua potable a las zonas rurales de los países en desarrollo. Las bombas hidráulicas son lo suficientemente simple para ser gestionada por a las aldeas más remotas.

También ofrecen la ventaja de la educación de las fuentes profundas de las aguas subterráneas que tienen menos probabilidades de estar contaminados. De saneamiento y disponibilidad de agua son preocupaciones constantes en los países en desarrollo, y la bomba hidráulica ayuda a aliviar ambos problemas.

BREVE RESEÑA HISTÓRICA

La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes y se conoce como tornillo de Arquímedes, descrito por Arquímedes en el siglo III   a.   C. , aunque este sistema había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII   a.   C.

En el siglo XII, Al-Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo bombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua y bombas de desplazamiento positivo.

PUNTO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA

La manera en la que una bomba trabaja depende no sólo de las características de funcionamiento de la bomba, sino también de las características del sistema en el cual vaya a trabajar. Para el caso de una bomba dada, mostramos las características de funcionamiento de la bomba (h respecto a Q) para una velocidad de operación dada, normalmente cercana a la velocidad que da el rendimiento máximo.

También mostramos la curva característica del sistema (es decir, la altura de bombeo requerida respecto a Q). En este caso, la bomba está suministrando líquido a través de un sistema de tuberías con una altura estática z. La altura que la bomba debe

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desarrollar es igual a la elevación estática más la pérdida total de carga en el sistema de tuberías (aproximadamente proporcional) a Q²). La altura de funcionamiento de la bomba real y el caudal son determinados por la intersección de las dos curvas.

TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS

Según el principio de funcionamiento Según el tipo de accionamiento

SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO, POSITIVO O VOLUMÉTRICAS

El principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, el propulsor genera de manera positiva un volumen dado por lo que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en:

BOMBAS DE ÉMBOLO ALTERNATIVO

En las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.

BOMBAS VOLUMÉTRICAS ROTATIVAS O ROTOESTÁTICAS

En las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina.

Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la

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bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.

BOMBAS ROTODINÁMICAS

El principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios

rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Estas pueden subdividirse en:

RADIALES O CENTRÍFUGAS

El elemento rotativo de una bomba centrífuga se denomina impulsor. La forma del impulsor puede forzar al agua a salir en un plano perpendicular a su eje (flujo radial); puede dar al agua una velocidad con componentes tanto axial como radial (flujo mixto) o puede inducir un flujo en espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje (flujo axial). Normalmente, a las máquinas con flujo

radial o mixto se les denomina bombas centrífugas.

Sus ventajas son:

De sencilla construcción, no requieren tolerancias estrictas, no necesitan válvulas, no tienen movimientos alternativos, compacta y de poco peso, de vida prolongada y fácil mantenimiento.

Como inconvenientes tiene que presenta bajos rendimientos con caudales pequeños.

COMPONENTES

Esta compuesta de las siguientes partes:

El rodete. Aspiración. Carcasa o voluta, puede incluir un

difusor (sistema de álabes fijos).

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Empaquetaduras y cierres mecánicos. AXIALES

Mientras a las de flujo axial se las llama bombas de flujo axial o bombas de hélice. Los impulsores de las bombas radiales y de las mixtas pueden abiertos o cerrados. Los impulsores abiertos consisten en un eje al cual están unidos los álabes, mientras que los impulsores cerrados tienen láminas (o cubiertas) a cada lado de los álabes.

El flujo va desde el impulsor hasta el tubo de descarga. El incremento de la sección transversal a lo largo de la envolvente tiende a mantener constante la velocidad en su interior.

DIAGONALES O HELICOCENTRÍFUGAS

El fluido penetra al rotor axialmente, alcanzando el borde de entrada de los alabes, que es curvo e inclinado con respecto al eje del rotor.

El fluido describe una trayectoria de doble curvatura y alcanza el borde de salida de los alabes que es paralelo o ligeramente inclinado respecto al eje del rotor.

El fluido sale del rotor según un plano perpendicular al eje o según una trayectoria ligeramente inclinada con relación a un plano perpendicular al eje del rotor.

GRÁFICAS DE BOMBAS CENTRIFUGA, AXIAL Y HELICOCENTRÍFUGO

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TIPO DE ACCIONAMIENTO

ELECTROBOMBAS

Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de combustión interna.

BOMBAS NEUMÁTICAS

Que son bombas de desplazamiento positivo en las que la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido.

BOMBAS MANUALES

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Un tipo de bomba manual es la bomba de balancín.

La función de la bomba hidráulica manual es bombear aceite hacia la maquina fresadora para lubricar las bancadas y así disminuir la fricción entre ellos, aumentando el rendimiento y la duración de la maquina.

PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA HIDRÁULICA MANUAL

La bomba está formada por un pistón que oscila en un cilindro dotado de una válvula para regular el flujo de líquido hacia el cilindro y desde él. Esta bomba es de acción simple. El bombeo sólo se produce en un lado del pistón, como en una bomba impelente común, en la que el pistón se mueve arriba y abajo manualmente.

CONDICIONES DE TRABAJO DE UNA BOMBA HIDRAULICA

CONDICIONES GENERALES:

Está en contacto permanentemente con sustancias químicas. La bomba está sometida a cambios de temperaturas.

Interactúa con cargas que generan presiones, compresión y tensión.

Está sometida a cargas de impacto.

Se presenta fricción con otras herramientas.

CEBADO DE BOMBAS ROTO DINÁMICAS

Para el correcto funcionamiento de las bombas rotodinámicas se necesita que estén llenas de fluido incompresible, es decir, de líquido, pues en el caso estar llenas de fluido compresible (cualquier gas como el aire) no funcionarían correctamente.

El cebado de la bomba consiste en llenar de líquido la tubería de aspiración succión y la carcasa de la bomba, para facilitar la succión de líquido, evitando que queden bolsas de aire en el interior. Al ser necesaria esta operación en las bombas rotodinámicas, se dice que no tienen capacidad autocebante. Sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo son autocebantes, es decir, aunque estén llenas de aire son capaces de llenar de fluido el circuito de aspiración.

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Esquema de una bomba instalada por encima del nivel de agua

La altura de elevación H que proporciona la bomba es siempre la misma y responde a la siguiente fórmula:

Donde PI es la presión de impulsión, PA es la presión de aspiración, ρ es la densidad del fluido y g la aceleración de la gravedad.

Despejando la diferencia de presiones se tiene que:

SELECCIÓN DE BOMBAS HIDRÁULICAS

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.

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.

CURVA CARACTERÍSTICA

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La altura a que la bomba puede impulsar los diversos caudales a velocidad de funcionamiento constante se establece en los ensayos de bombeo que realizan los fabricantes. La altura manométrica de la bomba es la diferencia entre las energías existentes en los conductos de impulsión y aspiración de la bomba según la ecuación de energía.

En el curso del ensayo se varía el caudal de bombeo actuando sobre una válvula dispuesta en la descarga de la bomba y se mide la altura correspondiente.

Los resultados del ensayo se representan gráficamente dando lugar a una curva de alturas-caudales para la velocidad de giro constante empleada.

Al mismo tiempo el fabricante mide el rendimiento y potencia absorbida, presentando el mismo grafico los valores resultantes.

Este conjunto de curvas es el conocido como curvas características de la bomba.

La curva a continuación puede considerarse típica e ilustra las características de una bomba trabajando a una velocidad constante determinada.

La curva de carga-caudal es la línea que desciende de izquierda a derecha, y representa las cantidades variables de líquido que la bomba puede entregar a distintas cargas o presiones. La intersección de esta línea con la línea de cero descargas, nos da la carga o presión que desarrolla la bomba cuando la válvula de descarga está cerrada.

La curva que en este caso nos da la potencia necesario para operar la bomba, tiene la pendiente hacia arriba, de izquierda a derecha. En este caso el punto en que la potencia necesaria tiene un valor menor, es el que corresponde a la válvula cerrada.

Esta dos curvas nos dan las características completas de la bomba para una velocidad determinada para la cual se ha dibujado la curva, pero no obstante, por conveniencia, generalmente se añade otra curva donde aparece la eficiencia de la bomba y en muchos casos se suprime la curva de la potencia y se ponen solamente las curvas de carga-caudal y eficiencia.

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CURVA DEL SISTEMA

Para determinar la altura requerida por una bomba, o grupo de bombas, para descargar unos caudales dados a través de un sistema de tuberías determinado, hay que desarrollar la curva altura-caudal del sistema.

Esta corresponde a una representación gráfica de la altura del sistema y se obtiene dibujando los puntos correspondientes a la altura manométrica total (Ht) para una gama de caudales desde cero al máximo esperado.

En la mayoría de las instalaciones importantes de equipos de bombeo, el flujo de diseño no es continuo, sino que existen variaciones diarias, mensuales y estacionales en dicho flujo.

De esta manera no resulta tan fácil, hacer una buena selección del sistema de tuberías y del equipo o de los equipos de bombeo correspondientes.

Es por eso que resulta preferible dibujar curvas del sistema de tuberías con las distintas posibilidades de diámetro a escoger y compararlas con las curvas de las bombas, superponiéndolas a éstas determinando así el punto de operación de cada bomba con cada sistema, y escogiendo la combinación sistema-bomba que sea capaz de dar mayor caudal con menos potencia, y que se mantenga al mismo tiempo, dentro de las necesidades de variación de flujo previamente especificadas.

PUNTO DE OPERACIÓN

El punto donde se cortan la curva del sistema y la curva de la bomba, se llama PUNTO DE OPERACIÓN.

Si no existiese carga estática o presión la curva del sistema de tuberías arrancaría de la carga cero, pero como la carga estática más la presión, en este caso, es de 50 pies, la carga que corresponde al flujo cero es 50 pies y la carga total para cualquier otro flujo

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resulta 50 pies, mas las perdidas por fricción correspondientes al diámetro de tuberías instalado.

Cualquier otro sistema más complicado con codos, válvulas, etc., se dibuja de igual manera. Las curvas del sistema se colocan sobre las de las bombas y se obtiene el punto de operación por la intersección de la curva del sistema y la curva de carga-caudal de la bomba.

CAMPO DE FUNCIONAMIENTO

Al igual que la mayoría de los equipos mecánicos, una bomba funciona mejor en su punto máximo de rendimiento. En este punto, los esfuerzos radiales sobre los cojinetes son mínimos, ya que la carga desequilibrada sobre el rodete es también mínima.

Estos esfuerzos como es de esperar se incrementan a medida que le punto de funcionamiento se separa del de máximo rendimiento, sea en una u otra dirección.

Cuando el caudal de la bomba sobrepasa al correspondiente al punto máximo de rendimiento la presión absoluta necesaria para evitar la cavitación aumenta, de tal manera que adicional a los problemas de esfuerzos radiales, la cavitación se convierte en un problema potencial.

Debido a los anteriores efectos es de buena práctica limitar el intervalo de funcionamiento de la bombas entre un 60 y un 120% del correspondiente al punto de máximo rendimiento.

CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA BOMBA SANDHANDLER

BIBLIOGRAFÍA

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica5.htm http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/bombashidraulicas/

ESTÁTICA Y DINÁMICA DE FLUIDOS CONTROL

http://www.sabelotodo.org/aparatos/bombasimpulsion.html http://www.mecanizadofacil.net/index.php?

option=com_content&view=article&id=266:bomba-hidrulica&catid=63&Itemid=93

FRANQUINI B. Joseph / FINCMORE E. John. Mecánica de Fluidos con Aplicaciones en Ingeniería. McGraw – Hill, España 1997

TYLERG Hicks. BME, Bombas, su Elección y aplicación. Compañía editorial Continental, S.A., México. 1979.

Dr. Ing. CISNEROS MARTINES Luis. Manual de Bombas. Blume. Barcelona; España, 1977.

KARASSIK IGOR I. CARTER ROY. Bombas Centrífugas, Continental, S.A. México. México 1978

MENAUGHTON KENNETCH. Bombas: Selección y Mantenimiento. McGraw – Hill. Méxido 1890.

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