PRACTICA #1

“PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS DE EMBOLO”

¿QUE ES UNA BOMBA DE EMBOLO?

La comparación se refiere al primer campo de aplicación enunciado: El bombeo de líquidos.

Las bombas de émbolo se adaptan más a grandes presiones y pequeños caudales y las bombas

rotodinámicas (centrífuga y axiales) a pequeñas presiones y grandes caudales. Las bombas rotodinámicas

son máquinas de mayor número específico de revoluciones (mas rápidas) que la bombas de émbolo.

La bomba de émbolo es una bomba de desplazamiento positiva, diseñada para bombear alto contenidos de

sólidos (sólidos del 18-20 %), que comúnmente se encuentran en influentes no tratados.

Son utilizadas generalmente en la industria por su alto rendimiento y por la facilidad de poder trabajar a

presiones superiores 2000 lb/plg2 y tienen una eficiencia volumétrica aproximadamente de 95 a 98%.

I.- TIPOS Y CARACTERISITICAS DE BOMBAS DE EMBOLO

Bombas de potencia reciprocantes

Las bombas de potencia son máquinas de desplazamiento positivo que, a una velocidad constante

entregan esencialmente la misma capacidad a cualquier presión dentro de la capacidad del impulsor y la

resistencia mecánica de la bomba. La alta eficiencia inherente de estas bombas es casi independiente de la

presión y la capacidad, y sólo es un poco más baja en una bomba pequeña que en una grande. Por ello, la

bomba de potencia es de gran utilidad en donde se requieren alta presión y baja capacidad, donde su alta

eficiencia compensa con creces su alto costo inicial. En algunas aplicaciones, la entrega constante con

presión variable es una ventaja definida, ya que esta bomba de potencia también puede actuar como

dispositivo dosificador. En algunas aplicaciones, esto crea un problema de control que debe resolverse si

se varía la velocidad, se deriva a velocidad constante, o se carga y descarga la bomba en forma

intermitente. Muchas bombas de potencia se disponen para poder cambiar con facilidad el tamaño del

pistón o émbolo buzo, con lo cual se tiene una bomba adaptable para un considerable rango de presiones,

en que la capacidad varía inversamente con la presión a una salida constante de potencia hidráulica. Las

bombas de potencia se encuentran con dos, tres, cinco, siete y nueve émbolos y de acuerdo a esto se les

llama dúplex. tríplex, quíntuplex, séptuplex y nónuplex respectivamente.

Bombas verticales de potencia. Se construyen con extremos de potencia totalmente encerrados y

autolubricados, protegidos en forma eficaz contra infiltración de fluido bombeado o la entrada de polvo de la

atmósfera circundante. Las velocidades del émbolo buzo hasta de 400 pie/min. (20 m/s), en las bombas de

carrera corta con velocidades de rotación de 300 a 720 rpm. , permiten la conexión directa con el impulsor

o con una transmisión de reducción sencilla, en lugar de las transmisiones de doble reducción que se

suelen requerir con bombas antiguas de baja velocidad. En la figura se ilustra una bomba invertida, típica,

de 50 a 1500 bhp (37 a 1100 kW). El múltiple de succión (1) se comunica con las válvulas de succión (2)

que dirigen el flujo hacia las cámaras individuales de los émbolos dentro del cilindro de trabajo (3). Válvulas

similares de descarga (4), están alojadas en forma parcial en el múltiple de descarga (5) en el lado opuesto

del cilindro. El prensaestopas (6) se extiende hacia arriba desde el cilindro y aloja el émbolo buzo (7), la

empaquetadura del embolo (8) y los bujes de alineación (9). El collarín de prensaestopas (10) Y las tuercas

y pernos del prensaestopas (11 y 12) mantienen a éste en su lugar. El émbolo está conectado a la cruceta

superior y este conjunto, a su vez, se conecta a las crucetas del extremo de potencia (15) mediante varillas

de tracción. El extremo de potencia está autocontenido y protegido contra la contaminación del aceite por

medio de tapas de acceso con juntas (17) Y los tubos telescópicos (18) que rodean las varillas de tracción.

La cruceta está conectada a las bielas (19) por medio del pasador de articulación (20). La biela traslada el

movimiento rotatorio del cigüeñal (21) hacia el movimiento reciprocante de la cruceta y los émbolos buzos.

El cigüeñal está soportado por cojinetes de rodillos o de manguito (22) y todas las piezas del extremo de

potencia se lubrican a presión por conductos taladrados en el cigüeñal, las bielas y las crucetas.

El diseño de la bomba convencional de potencia, incluye barrenos que se intersecan, en donde el barreno

del émbolo buzo entra al paso entre las válvulas de succión y de descarga. Esta configuración conduce

concentraciones de esfuerzos en los cilindros de trabajo, lo cual limita la presión máxima permisible de

trabajo hasta aproximadamente 20lb/pulg2 (138 MPa), incluso con piezas forjadas de alta resistencia.

Debido a estas cargas tan pesadas, el cigüeñal está soportado por cojinetes principales en cada lado del

muñón con la chumacera formada sobre las caras o almas del cigüeñal. (Fig. 1)

Es posible encontrar estas bombas con diámetros diversos de émbolos y, con varios émbolos para cubrir

amplios rangos de cilindradas, con carreras desde 2 ½ a 9 pulg (64 a 229 mm). Se utilizan prensaestopas

separados para permitir el empleo de émbolos de diversos tamaños para cada cilindro de trabajo. Para

presiones altas, los cilindros están seccionados con uno, dos o tres émbolos por cada pieza forjada del

cilindro de trabajo. Se debe tener en cuenta que las únicas piezas del extremo de potencia que están

cargadas a tensión son los pernos de los cojinetes principales, las bielas y las varillas de tracción. La fuerza

del émbolo oprime el cilindro de trabajo contra la parte superior del bastidor, que de esta manera queda

cargado a compresión.

Las bombas de potencia horizontales se fabrican también en un rango semejante de tamaños para

aproximadamente la misma velocidad con cilindros de fluido fundidos y forjados. Se encuentran como

bombas tríplex y quíntuplex con émbolos de simple acción. Éstos están conectados en forma directa a las

crucetas en el extremo de potencia con el prensaestopas entre el cilindro y el bastidor, con lo cual se

elimina el yugo y las varillas de tracción características de la bomba vertical invertida. Las bombas de este

tipo se emplean para inundaciones y para extraer agua salada en los campos petrolíferos, para la tubería

de recolección y de producto, y en sistemas hidráulicos pequeños y pruebas hidráulicas. El extremo

horizontal de potencia suele ser de autolubricación; con un arrojador (1) que se sumerge en el aceite y lo

lleva hasta un sistema de distribución desde donde fluye por gravedad a todas las piezas móviles. Sin

embargo, las bombas horizontales que funcionan a velocidades menores de 165 r/min requieren un sistema

de lubricación a presión, similar al que se emplea en las bombas verticales.

BOMBA DE POTENCIA

Una bomba de potencia es una máquina alternativa de velocidad constante, par motor constante y

capacidad casi constante, cuyos émbolos o pistones se mueven por medio de un cigüeñal, a través de una

fuente motriz externa.

La capacidad de la bomba varía con el número de émbolos o pistones. En general, mientras mayor sea el

número, menor es la variación en capacidad, a un número dado de rpm. La bomba se diseña para una

velocidad, presión, capacidad y potencia específicas. La bomba puede aplicarse a condiciones de potencia

menores que las del punto específico de diseño, pero con sacrificio de la condición más económica de

operación.

Las Bombas se construyen en versiones tanto verticales como horizontales. La construcción horizontal se

utiliza en bombas de émbolo de hasta 200 HP. Esta construcción es generalmente abajo del nivel de

cintura y proporciona facilidad en el ensamble y mantenimiento. Se construyen con tres o cinco émbolos.

Las bombas horizontales de pistón llegan hasta los 2.000 HP y normalmente tienen dos o tres pistones,

que son de acción simple o doble. La construcción vertical se usa en bombas de émbolo hasta 1.500 HP,

con el extremo de fluido sobre el extremo motriz. Esta construcción elimina el peso del émbolo sobre los

bujes, empaques y la cruceta y tiene un dispositivo de alineamiento del émbolo con el empaque. Se

requiere un arreglo especial de sellado para evitar que el líquido del extremo del fluido se mezcle con el

aceite del extremo motriz. Pueden haber de tres a nueve émbolos.

Los émbolos son aplicables a bombas con presiones desde 1.000 hasta 30.000 [lb/ pulg^2]. La presión

máxima desarrollada con un pistón es de alrededor de 1.000 [lb/ pulg^2]. La presión desarrollada por la

bomba es proporcional a la potencia disponible en el cigüeñal. Esta presión puede ser mayor que el rango

del sistema de descarga o bomba. Cuando la presión desarrollada es mayor que estos rangos se puede

originar una falla mecánica. Para evitar esto debe instalarse un dispositivo de alivio de presión entre la

brida de descarga de la bomba y la primera válvula en el sistema de descarga.

BOMBA DE VAPOR

Una bomba alternativa de desplazamiento positivo es aquella en la que el émbolo o pistón desplaza un

volumen dado de fluido en cada carrera. El principio básico de una bomba alternativa es que un sólido

desplazará un volumen igual de líquido. Por ejemplo, un cubo de hielo dejado caer dentro de un vaso

completamente lleno de agua, derramará un volumen de agua fuera del vaso, igual al volumen sumergido

del cubo de hielo.

Todas las bombas alternativas tienen una parte que maneja el fluido, comúnmente llamada el extremo

líquido, el cual tiene:

Un sólido que desplaza, llamado émbolo o pistón.

Un recipiente que contiene al líquido, llamado el cilindro líquido.

Una válvula de succión de retención que admite el fluido de la tubería de succión

hacia el cilindro líquido.

Una válvula de descarga de retención que admite el flujo del cilindro líquido hacia la

tubería de descarga.

Empaque para sellar perfectamente la junta entre el émbolo y el cilindro líquido y

evitar que el líquido se fugue del cilindro y el aire entre al cilindro.

Para bombear, es decir para mover el líquido a través del extremo líquido, el émbolo debe moverse.

Cuando el émbolo se mueve hacia afuera del cilindro líquido, como se muestra en la figura 2, la presión del

fluido dentro del cilindro se reduce. Cuando la presión llega a ser menor que la de la tubería de succión la

válvula de succión de retención se abre y el líquido fluye al cilindro para llenar el volumen vaciado al retirar

el émbolo. Durante esta fase de la operación, la válvula de descarga de retención se mantiene cerrada

debido a la mayor presión en la tubería de descarga. Esta parte la acción de bombeo de una bomba

alternativa de desplazamiento positivo se llama la carrera o golpe de succión.

El

movimiento hacia atrás debe pararse antes de que el extremo del émbolo llegue al empaque. Entonces

el movimiento del émbolo se invierte, iniciándose la parte de la acción de bombeo conocida como la carrera

o golpe de descarga, como se ilustra en la figura .

El movimiento del pistón dentro del cilindro origina un incremento en la presión del líquido ahí contenido.

Esta presión inmediatamente llega a ser mayor que la presión en la tubería de succión originando que la

válvula de succión de retención se cierre. Mediante los siguientes movimientos del émbolo, la presión del

líquido continúa elevándose. Cuando la presión del líquido en el cilindro alcanza la de la tubería de

descarga, la válvula de descarga de retención es forzada a abrirse y el líquido fluye hacia la tubería de

descarga. El volumen forzado hacia la tubería de descarga es igual al desplazamiento del émbolo menos

pérdidas muy pequeñas.

II.- CALCULOS DE POTENCIA

Caudal teórico, Caudal real y Caudal instantáneo.

En la figura se ve un esquema de una bomba de émbolo. En ella el émbolo es de tipo corriente o de disco: este tipo se emplea en las bombas de émbolo hasta presiones de 20 a 25 bar.

Si las presiones son mayores, el émbolo es mucho más robusto, de mayor longitud y las bombas se llaman

bombas de émbolo buzo (figura 18). El movimiento del motor eléctrico de gasolina, diesel, etc, se transmite

por el mecanismo de biela-manivela al vástago del émbolo. La bomba tiene dos válvulas: La válvula de

aspiración que comunica con la tubería de aspiración y la válvula de impulsión que comunica con la tubería

de impulsión. Al moverse el émbolo hacia la derecha crea un vacío en la cámara, y la presión atmosférica

que reina en el pozo de aspiración empuja el líquido por la tubería de aspiración al interior de la cámara. Al

volver el émbolo hacia la izquierda se cierra la válvula de aspiración, se abre la de impulsión y al líquido en

su impulsado por la tubería de salida.A cada revolución del motor corresponden dos carreras (ida y vuelta)

del émbolo; pero sólo en una se realiza la impulsión.

Caudal teórico, Qt.

Qt = Ans / 60 (m3/s) (N)

Donde: A – área transversal del émbolo s – carrera As = D – desplazamiento o volumen desplazado en una revolución

n – rpm del cigüeñal

Luego el caudal teórico de una bomba de émbolo es directamente proporcional al área del émbolo, a la

carrera y al número de revoluciones del motor, y no depende de la presión creada por la bomba. Esta

última determina la potencia absorbida por la bomba para bombear un caudal determinado.

Si queremos aumentar el caudal sin aumentar excesivamente las dimensiones de la máquina según la

ecuación .

La tendencia moderna señala un progreso hacia velocidades de émbolo mayores que las indicadas, con lo

que se disminuye las dimensiones y el peso de la bomba. Las bombas de émbolo tienen excelentes

características de aspiración y no necesitan

cebamiento. Sin embargo, la regulación del caudal no puede hacerse en estas bombas por cierre de la

válvula de impulsión sino variando el número de revoluciones del motor.

Las válvulas de impulsión en una bomba de émbolo sólo se debe cerrar al parar la bomba, jamás en

marcha.

De lo contrario, la presión crecería hasta tal punto que se produciría una avería seria en el motor (caso de

no estar éste protegido), en la bomba o en la instalación.

Caudal real Q

El caudal real es menor que el teórico, a causa de las fugas debidas al retraso de cierre en las válvulas, a

que las válvulas no son estancas, y a las pérdidas exteriores en el prensaestopas por donde él eje

atraviesa el émbolo. Además el aire mezclado con el líquido impulsado que se desprende a causa de vacío

creado por la bomba, y que penetra por el tubo de aspiración si no es estanco, disminuye el caudal.

Rendimiento volumétrico

ηv = Q / Qt

ηv oscila entre 0,85 a 0,99. Es mayor en las bombas cuyo émbolo es de mayor diámetro, y es tanto menor

cuanto menor es la viscosidad del fluido.

Caudal instantáneo, Qi

El caudal instantáneo no es constante como en las bombas rotodinámicas, lo que constituye una

desventaja, si no pulsatorio.

El caudal total será:

Q = Dn / 60 = Asn / 60 que coincide con la ecuacion (N)

Fig . Bomba de émbolo buzo adaptada a grandes presiones o alturas útiles;

1 -

cigüeñal

2 - cámara de aire

3 - émbolo buzo

4 - válvula de aspiración

5 - válvula de impulsión

La cámara de aire que aparece en la figura 19, n.2 tiene como objeto amortiguar el golpe de ariete que

resulta de la pulsación continúa del caudal en la tubería de impulsión en las bombas de un solo émbolo

llamadas simplex. La figura 20 muestra una bomba de émbolo duplex o de doble efecto.

Fig . Esquema de una bomba de émbolo útil

Potencia indicada y potencia útil: Diagrama del indicador

Se llama diagrama de indicando halaga representación gráfica de la variación de la presión en el sindicato

de un poco dura ante una evolución completa del cigüeñal.

en la práctica el diagrama de el indicador se obtiene mediante un instrumento que registra la apreciado

instantánea que reina en el cilindro de el instrumento conectado a la bomba, importando registra la presión

instantánea en el interior de la bomba. El diagrama de indicados sirve par.

-descubrir defectos de funcionamiento de la bomba.

-medir la potencia interna, quiebras máquinas alternativas, por obtenerse con este aparato, se llama

potencie indicada.

Si la bomba trabaja normalmente en el diagrama del indicador las líneas ac y bd, que, corresponden al

comienzo de la aspiración y de la impulsión, respectivamente, serían verticales. La pequeña elevación de la

presión que se advierte en el ángulo derecho del diagrama corresponde al momento de apertura de la

válvula de impulsión y análogamente sucede con la pequeña depresión al comienzo de la aspiración.

En las figuras siguiente a, b, c, d pueden verse diagramas que corresponden a bombas con algún defecto

de funcionamiento. El diagrama a corresponde a una bomba en que la válvula de impulsión no se cierra

tiempo. El diagrama c corresponde a una bomba en que la válvula de aspiración no se cierra tiempo: las

verticales se inclinan porque el émbolo comienzan su carrera de retroceso cuando aún no se han cerrado

las válvulas (la de impulsión o la de aspiración). Estas inclinaciones pueden producirse también si las

válvulas no cierran bien, debido a impurezas que las obstruyen, o a que no están en condiciones, o también

si ha entrado aire en el cilindro. El diagrama b corresponde a una bomba en que funcionan mal ambas

válvulas. Del diagrama d puede concluirse que por entrada del aire no se hace un vacío suficiente en el

cilindro, etc.

El área del diagrama convertido a unidades convenientes mediante una escala apropiada representa el

trabajo hidráulico comunicado por el émbolo al líquido en una revolución. Este trabajo específico, puesto en

metros, corresponde exactamente a la altura de Euler Hu en las bombas rotodinámicas. Así como

multiplicando dicha altura por el caudal teórico obteníamos la potencia interna de una bomba

rotodinámicas; así, aquí obtendremos de la misma manera la potencia indicada.

Fig . Diagramas diversos del indicador. El diagrama:

(a) a causa de la válvula de impulsión no se cierra a tiempo(b) ambas válvulas funciona mal(c) la válvula de aspiración no se cierra a tiempo(d) vacío insuficiente

Potencia indicada o potencia interna de una bomba de émbolo

Pt = Pt Asn / 60 ηv

Potencia útil P = Qρg H

Rendimiento hidráulicoηh = H / Pt / ρg

Rendimiento totalηtot = ηv ηh ηm

El rendimiento total en las bombas de émbolo oscila de 0,70 a 0,92 según tamaño, tipo y calidad de construcción.

III.- CALCULO DE POTENCIA DE UNA BOMBA EN EMBOLO