75727662-Bombas-de-dezplazamiento-positivo.pdf

Máquina De Fluidos Incompresibles

Bombas De Desplazamiento Positivo

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BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO CONTENIDO INTRODUCCION ........................................................................................................ 3 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO BOMBAS DESPLAZAMIENTO ... 3 PRINCIPIO DEL DESPLAZAMIENTO POSITIVO ............................................................... 3 CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO .............................. 6 BOMBAS ALTERNATIVAS ........................................................................................... 8 COMPARACIÓN DE LAS BOMBAS ROTODINÁMICAS Y LAS BOMBAS DE ÉMBOLO ................ 8 POTENCIA INDICADA Y POTENCIA ÚTIL: ÚT IL: DIAGRAMA DEL INDICADOR ............................ 10 TIPOS DIVERSOS DE D E BOMBAS ALTERNATIVAS ............................................................ 12 12 BOMBAS ROTOESTÁTICAS ....................................................................................... 15 CLASIFICACION DE LAS BOMBAS ROTOESTATICAS ..................................................... 15 DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS ROTOESTATICAS ........................................................ 17 DEDUCCIÓN DE LAS ECUACIONES DE CAUDAL ........................................................ 21 CAUDAL TEÓRICO, CAUDAL REAL Y CAUDAL INSTANTÁNEO (BOMBAS ALTERNATIVAS) ... 21 TEORIA (BOMBAS ROTOESTASTICAS) ........................................................................ 28 CONCLUSIÓN .......................................................................................................... 29 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 29

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Máquinas De Fluidos Incompresible


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INTRODUCCION Las máquinas de desplazamiento positivo, motores y bombas, constituyen la segunda clase de las dos en que fueron divididas en las máquinas hidráulicas. Estas máquinas, cuya teoría es mucho más sencilla que la de las turbomáquinas. Esta clase, además del grupo importante de las bombas de émbolo, comprende el grupo compuesto por los cilindros hidráulicos y neumáticos y las bombas y motores rotativos, grupo muy numeroso y variadísimo, que constituye hoy día en los países más desarrollados una industria floreciente, la cual encuentra cada día nuevas aplicaciones en el campo de las transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos y en el automatismo Este campo de las transmisiones y controles es un dominio casi exclusivo de las máquinas de desplazamiento positivo; mientras que en el campo de bombeo de líquidos y gases las turbomáquinas han invadido y seguirán invadiendo cada vez más el dominio en otro tiempo exclusivo de las máquinas de émbolo. Uno y otro hecho se fundan en el distinto principio de funcionamiento.

CARACTERÍSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO BOMBAS DESPLAZAMIENTO PRINCIPIO DEL DESPLAZAMIENTO POSITIVO El funcionamiento de las máquinas de desplazamiento positivo no se basa, como el de las turbomáquinas, 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

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—área

transversal del émbolo). Como el fluido es incompresible el volumen de



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fluido que sale por el orificio será también Al. El tiempo t empleado en recorrer la distancia l es

   

(1)

Fig.1Explicación del principio de desplazamiento positivo: al disminuir el volumen a la izquierda del émbolo el fluido se verá obligado a salir sea cual fuere la presión, siempre que la fuerza F sea suficientemente grande y las paredes del cilindro suficientemente robustas.

El caudal Q, o volumen desplazado en la unidad de tiempo, será, teniendo en cuenta la Ec. (1-1):  

 

 

(2)

Si no hay rozamiento la potencia comunicada al fluido será:   

Pero   ; luego       

En virtud de la Ec. (1-2). Es evidente que el esquema de la Fig.1 puede funcionar como bomba o como motor, es decir, la máquina puede absorber potencia mecánica,  y restituir potencia hidráulica  (bomba) o viceversa. Tanto en un caso como en otro queda en evidencia que

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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 rotodinámicas al funcionar como turbina empeora su rendimiento, y en algunos casos es incapaz de producir potencia útil alguna. La razón es que los

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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.

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO 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

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Bombas De Desplazamiento Positivo 

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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.

Fig. 2 Las bombas rotoestáticas se basan también en el principio de desplazamiento positivo. En la bomba de paletas deslizantes el rotor es excéntrico y hay una o varias cámaras que aumentan y disminuyen de volumen al girar la bomba.

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.

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Desplazamiento, A es el volumen desplazado en una revolución. Por tanto el caudal , Q , en

las máquinas de desplazamiento positivo será: (3)

  

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; Máquinas rotativas de desplazamiento variable.

4.

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 ALTERNATIVAS COMPARACIÓN DE LAS BOMBAS ROTODINÁMICAS Y LAS BOMBAS DE ÉMBOLO La comparación se refiere al primer campo de aplicación enunciado: el bombeo de líquidos. Presiones

Las bombas de émbolo prácticamente no tienen límite de presiones. Actualmente se construyen para presiones de 1.000 bar y aún mayores. Para aumentar la presión basta

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hacer la bomba más robusta y el motor más potente. El principio de desplazamiento positivo demuestra que teóricamente cualquier presión es alcanzarle. Sin embargo, las bombas rotoestáticas, con excepción de las de tornillo, no se adaptan tan bien a presiones

mayores de 30 bar. Las bombas rotodinámicas, centrífugas (radiales y radioaxiales) y axiales alcanzan grandes presiones, aumentando el número de escalonamientos; pero si este número es excesivo el rendimiento disminuye mucho. Sin embargo, la tendencia moderna muestra una invasión muy acusada de las bombas rotodinámicas en el campo de las grandes presiones: se construyen para alimentación de calderas de vapor en las centrales térmicas bombas de presión superior a los 350 bar. Caudales

Las bombas de émbolo se adaptan sólo a caudales limitados. Para aumentar el caudal en ellas hay que aumentar el tamaño de la máquina, porque, siendo como veremos en estas máquinas el flujo pulsatorio, los fenómenos de inercia impiden aumentar el caudal mediante el aumento de velocidad. Las bombas rotodinámicas se adaptan fácilmente a grandes caudales. En resumen: Las bombas de émbolo se adaptan más a grandes presiones y pequeños caudales y las bombas rotodinámicas (centrífugas y axiales) a pequeñas presiones y grandes caudales. Las bombas rotodinámicas (centrífugas y axiales) a pequeñas presiones y grandes caudales. Las bombas rotodinámicas son máquinas de mayor número específico de revoluciones (más rápidas) que las bombas de émbolo.

La Fig.3 indica el campo de aplicación de los diferentes tipos de bombas. Esta figura está naturalmente sujeta a la evolución de la técnica.

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Fig.3 Campo de aplicación de las bombas alternativas o de émbolo, centrífugas y axiales. Las bombas de émbolo tienen la ventaja de mejor rendimiento, autoaspiración y mayor altura de aspiración. Sin embargo, la tendencia moderna muestra una invasión, como hemos dicho, de las bombas rotodinámicas en el dominio de las bombas de émbolo, debido a las Ventajas de las bombas rotodinámicas sobre las bombas de émbolo. 

Potencia específica (= potencia por unidad de peso o por unidad de volumen)

mayor. 

Carencia de fuerzas de inercia des compensadas, si el rotor está mecánica y

dinámicamente equilibrado, y por tanto funcionamiento menos expuesto a vibraciones. 

Acoplamiento directo a motores eléctricos de número de revoluciones elevado, y

por tanto más baratos, sin transmisión reductora como las bombas de émbolo. 

Carencia de sobrepresión en la bomba y en la tubería por cierre de la válvula de

impulsión. 

Carencia de válvulas, con lo que se eliminan averías.



Precio más reducido.

POTENCIA INDICADA Y POTENCIA ÚTIL: DIAGRAMA DEL INDICADOR Se llama diagrama del indicador a la representación gráfica de la variación de la presión en el cilindro de una bomba durante una revolución completa del cigüeñal. En la práctica el diagrama del indicador se obtiene mediante un instrumento que registra la presión instantánea que reina en el cilindro del instrumento conectado a la bomba, y por tanto registra la presión instantánea en el interior de la bomba. El diagrama del indicador sirve para

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descubrir defectos de funcionamiento de la bomba

medir la potencia interna, que en las máquinas alternativas, por obtenerse con este aparato, se llama potencia indicada. 

Si la bomba trabaja normalmente (las válvulas se abren y se cierran sin dilación, no existen fugas en las válvulas, el émbolo y el cilindro tienen un ajuste perfecto, no hay pérdidas importantes en el paso del fluido por las válvulas) 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 Figs.8 a., b, c, d pueden verse diagramas que corresponden a bombas con algún defecto de funcionamiento. El diagrama a corresponder a una bomba en que la válvula de impulsión no se cierra a tiempo. El diagrama c corresponde a una bomba en que la válvula de aspiración no se cierra a tiempo: las verticales se inclinan porque el émbolo comienza 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 H u en las bombas rotodinámicas. Así como multiplicando dicha altura por el caudal teórico obteníamos la potencia interna de una bomba rotodinámica; así, aquí obtendremos de la misma manera la potencia indicada. El subíndice i en Pi, significa potencia indicada o interna, porque en realidad son una misma. Midiendo el área del diagrama del indicador con un planímetro y dividiendo esta área por la carrera s, se calcula la presión media indicada, pi . En resumen:

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FIG.8. Diagramas diversos del indicador. El diagrama (a) acusa que la válvula de impulsión no se cierra a tiempo; (b) ambas válvulas funcionan mal; (t) la válvula de aspiración no se cierra a tiempo; (d) vacío insuficiente.

Potencia indicada o potencia interna de una bomba de émbolo



  

 

(9)

Potencia útil

  

 

(10)

Rendimiento hidráulico 

  ⁄

(11)



Rendimiento total

    

(12)

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

TIPOS DIVERSOS DE BOMBAS ALTERNATIVAS 1.-Existen multitud de variantes en la construcción de estas bombas. Como ejemplo citaremos la Fig.9, que corresponde a una bomba de cilindro oscilante que carece de válvulas, cuyo funcionamiento se basa en la oscilación del cilindro, que pone en comunicación las cámaras de izquierda y derecha alternativamente con la aspiración y la impulsión.

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Otra variante es la bomba diferencial , cuyo esquema se ve en la Fig.10. La superficie del cilindro a la derecha es mayor que a la izquierda. Cuando el émbolo se mueve hacia la derecha parte del caudal que sale por la válvula de impulsión sale definitivamente de la bomba; mientras que la otra parte retrocede para llenar el espacio izquierdo del cilindro. Ésta bomba funciona como una bomba de simple efecto en la aspiración, y como una bomba de doble efecto en la impulsión y, sin embargo, sólo tiene dos válvulas.

Fig. 9. Bomba de émbolo sin válvulas.

Fig. 10. Bomba diferencial.

2. - Las bombas de émbolo se clasifican en simplex y múltiplex y estas últimas en dúplex (de dos cilindros o de uno de doble efecto), triplex y cuádruplex. Las bombas multiplex tienen la ventaja de aminorar las pulsaciones del caudal, así como aumentar el caudal total de la bomba. La Fig. 6 representa una bomba de doble efecto. Es evidente que el caudal teórico Qt de esta bomba será:

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Bombas De Desplazamiento Positivo  

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            

Donde A — área del émbolo a — área del vástago s — carrera.

Esta bomba consigue mucha mayor uniformidad de caudal con poca complicación. La bomba de émbolo accionada por vapor en construcción sencilla (un émbolo de vapor y un émbolo de líquido), o doble (no de doble efecto, sino dos émbolos de vapor y dos de líquido) ha sido y sigue siendo muy usada como bomba de alimentación de calderas. Tiene la ventaja de que se evita el mecanismo de biela y manivela, y consiguientemente se elimina el equilibrado de las fuerzas de inercia mediante contrapesos del cigüeñal o volante, que en esta bomba no son necesarios. Los ángulos del cigüeñal suelen ser en estas bombas de 180°. La bomba triplex consta de tres bombas de simple efecto que tienen tubos de aspiración y de impulsión comunes. Los ángulos del cigüeñal son de 120°. Las bombas cuádruplex constan de dos bombas de doble efecto, con tubo de aspiración y de impulsión también comunes y ángulos del cigüeñal a 90°. Es inmediata la obtención de las siguientes Formulas del caudal útil Bomba simplex 

 

m3 /s SI

(13)

Bomba dúplex (1 cilindro de doble efecto)  

 

m3 /s SI

(14)

Bomba triplex   m3 /s SI

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(15)



15

Bomba cuadruplex   m3 /s SI

(16)

Bomba diferencial   m3 /s SI

(17)

El coeficiente de irregularidad , se define así: 

 

Este coeficiente vale para las  

    

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

Siendo la bomba triplex la que tiene más regularidad de caudal.

BOMBAS ROTOESTÁTICAS CLASIFICACION DE LAS BOMBAS ROTOESTATICAS Resumiendo lo ya dicho sobre estas máquinas: Máquinas rotoestáticas son máquinas de desplazamiento positivo dotadas de movimiento rotativo.

Estas máquinas 

Se construyen en inmensa variedad de modelos y continuamente aparecen

nuevos tipos. La clasificación de estas máquinas que vamos a dar en esta sección es incompleta. En las dos secciones siguientes nos contentaremos con una breve descripción y teoría de algunos tipos más interesantes que encuentran aplicación continua en la industria de las transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos y en el automatismo.

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Se basan en el principio del desplazamiento positivo .Por tanto, aunque tienen

movimiento rotativo como las turbomáquinas, el principio hidráulico de funcionamiento es el mismo que el de una bomba de émbolo, y su funcionamiento no se basa en la ecuación de Euler. Constan de un estator y de un rotor, dotado este último de paletas, émbolos,  etc., según el tipo de máquina. Son máquinas hidráulicamente reversibles, aunque excepcionalmente me cánicamente algunas no lo sean. Se clasifican: Según el órgano desplazador en:   

Máquinas de émbolos Máquinas de engranajes Máquinas de paletas

Según la variedad del caudal , sin variar el número de revoluciones:  

Máquinas de desplazamiento fijo Máquinas de desplazamiento variable.

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FIG.11. Algunos tipos de bombas de desplazamiento positivo. El número de formas de estas bombas (que fundamentalmente pueden funcionar como motores) es ilimitado. (Por cortesía de Hydraulic Institute.)

de émbolos

S A C S I A T N A I T U S Q E A O M T O R

de embolos radiales de embolo axiales de engranjes extenernos

de engranjes

de engranajes internos de tornillo de lobulos deslizantes

de paletas oscilantes

DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS ROTOESTATICAS Máquinas de paletas deslizantes. En la (Fig.2) ya se describió la máquina de paletas deslizantes, y se vio cómo gracias a la excentricidad, la cámara entre el rotor y el estator aumenta y disminuye de volumen. Esta máquina se construye como máquina de desplazamiento fijo y como máquina de desplazamiento variable. Para variar el desplazamiento basta variar la excentricidad del rotor. Si la excentricidad es 0 el desplazamiento es nulo también. Existen unidades que incorporan dos bombas de este tipo conectadas de múltiples maneras con controles automáticos: en paralelo con salida común o distinta; en paralelo pero unidades de distinto caudal; en serie y finalmente con posibilidad de funcionamiento en serie o en paralelo. Máquina de émbolos radiales (Fig. 12). 2. 1.

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FIG. 12. En la bomba de émbolos radiales los émbolos están alojados en un rotor que gira excéntricamente. Los émbolos se apoyan en la carcasa f ija. Al girar el rotor, los émbolos realizan la aspiración e impulsión o

o

Esta máquina es muy utilizada para trabajo pesado en prensas, maquinaria de acererías, etc., así como en máquinas-herramientas, etc., y se adapta con facilidad al tipo de desplazamiento variable. Se construyen hasta presiones superiores a 250 bar. Consta de bloque cilíndrico central fijo, que tiene la forma de la Fig. 13: los dos orificios de arriba corresponden, por ejemplo, a la admisión y los dos de abajo a la impulsión; la cruceta central mantiene incomunicadas las dos admisiones de las dos impulsiones.

FIG. 13. Bloque cilíndrico fijo de una bomba émbolos radiales en los orificios de aspiración e pulsión. o

o

o

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bloque cilíndrico excéntrico que gira alrededor del anterior. Este bloque tiene un cierto número de cilindros con sus émbolos respectivos. rotor o anillo que gira arrastrado por las cabezas de los émbolos que se mantienen en contacto con el rotor por la fuerza centrífuga. Al girar el bloque con los émbolos éstos se mueven con movimiento alternativo, con relación al bloque, realizando la aspiración e impulsión. estator, que en las máquinas de desplazamiento variable, como la de la figura, puede deslizar sobre guías. La Fig.14 indica esquemáticamente cómo al moverse el estator se varía la excentricidad y con ella el desplazamiento, sin que el rotor pierda su alineamiento.



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FIG. 14. Bomba de émbolos radiales de desplazamiento variable. El estator en este esquema es un émbolo que al deslizar empujado por el vástago altera la excentricidad y desplazamiento 3.

Máquinas de émbolos axiales. En la Fig. 15 a puede verse un esquema de una

máquina de este tipo de desplazamiento fijo, y en la Fig. 15 b un esquema de desplazamiento variable. Esta máquina consta de un estator o carcasa en cuyo interior giran el eje con el bloque, donde axial- mente están dispuestos los émbolos. El eje se extiende a través del bloque que lleva la placa oscilante montada sobre cojinete de rodillos. Los vástagos de los cilindros están montados con Cardan sobre la placa. La placa oscilante puede girar a ambos lados de la perpendicular al eje. En la figura se ve también dónde está la placa fija que tiene las entradas de presión y de depresión de la máquina. Los émbolos al girar se van poniendo en comunicación con una u otra.

FIG. 15. Esquema de bomba de émbolos axiales: (a) bomba de desplazamiento fijo; (b) bomba de desplazamiento variable.

4.

Máquinas de engranajes externos (Fig.11 b, c). Las bombas de este tipo

encuentran múltiples aplicaciones. Al girar en el sentido de las flechas, en el lado de la admisión siempre hay dos dientes que se separan, creando un vacío, con lo que el líquido penetra en el estator, y es desplazado por los espacios entre los dientes y el estator hacia la impulsión, donde por el contrario siempre hay dos nuevos dientes que engranan y expulsan al líquido. Estas máquinas se utilizan mucho como bombas de

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combustibles y lubricantes para caudales de 0,3 a 2 m /s y presiones de 10 a 20 bar. No se prestan fácilmente a ser utilizadas como máquinas de desplazamiento variable. 5.

Máquinas de lóbulos (Figs.11 d, e, f). En ellas las ruedas dentadas han sido

sustituidas por lóbulos, cuya forma no es apta para transmitir el movimiento mecánicamente de un lóbulo al otro; lo cual se consigue con engranajes adicionales en el eje de la bomba, los cuales realizan esta transmisión. TEORIA Teoría de la bomba o motor de paletas deslizantes En la Fig. 11 k llamemos: d — Diámetro interior del estator d' — Diámetro exterior del rotor b — Ancho del rotor e — Excentricidad z — Número de paletas — Espesor de las paletas.

Consideremos la sección transversal máxima

ω entre

el rotor y el estator,

ω = 2eb,

donde 2e (doble de la excentricidad) le juega papel análogo al de la carrera en una bomba de émbolo. La velocidad media de la paleta será



       

Por tanto, despreciando el espesor de los álabes y las fugas, puesto que la velocidad media del líquido coincide con la velocidad del álabe, el caudal teórico Q” t será              y teniendo en cuenta el espesor de las paletas [     ]         y el caudal real, Q:   

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[     ] 



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Esta máquina se suele utilizar para líquidos, como bomba y como motor, y también para gases, como compresor y bomba de vacío. Teoría de la bomba o motor de engranajes Esta máquina tiene dos rotores^ En ella el desplazamiento D, o volumen desplazado por revolución es:     

(18)

Donde A —área del espacio ocupado por un diente, m3, SI b — altura del diente, m, SI z — número de dientes. El caudal útil de la bomba será 

     

  

   (19) 

DEDUCCIÓN DE LAS ECUACIONES DE CAUDAL CAUDAL TEÓRICO, CAUDAL REAL Y CAUDAL INSTANTÁNEO (BOMBAS ALTERNATIVAS) En la Fig.4 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 (Fig. 26-5). 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 el líquido es impulsado por la tubería de

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salida. A cada revolución del motor corresponden dos carreras (ida y vuelta) s del émbolo; pero sólo en una se realiza la impulsión.

Fig. 4. Esquema de bomba de émbolo de simple efecto.

Por tanto será Caudal teórico, Qt

 

 



(4)

Donde A—área transversal del émbolo, m2, SI s

— carrera,

As = D n

m, SI

— desplazamiento o

— rpm del

volumen desplazado en una revolución, m3 , SI

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 Ec. (4) habrá que aumentar n; pero por la razón ya expuesta anteriormente, la velocidad media del émbolo no suele exceder 1,5 m/s, y el número de carreras dobles (ida y vuelta) no suele exceder 550 a 600 por minuto. La tendencia moderna señala un progreso hacia velocidades de émbolo mayores que las indicadas, con

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lo que se disminuyen las dimensiones y el peso de la bomba (aumento de potencia específica). Las bombas de émbolo en contraposición de las rotodinámicas 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, o bien haciendo el bypass de parte del caudal impulsado otra vez al tubo de aspiración. La válvula 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 a retraso de cierre en las válvulas, a que las válvulas no son estancas, y a las pérdidas exteriores en el prensaestopas por donde el eje atraviesa el émbolo. Además el aire mezclado con el líquido impulsado que se desprende a causa del vacío creado por la bomba, y que penetra por el tubo de aspiración si no es estanco, disminuye el caudal. Sin embargo, aquí también la disminución de caudal útil se debe al caudal de retroceso que circula en estas bombas por el juego entre el émbolo y el cilindro dilatado sobre todo en las grandes presiones. Estas pérdidas se tienen en cuenta en el Rendimiento volumétrico:

   

(5)

 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, Q¡

El caudal instantáneo no es constante como en las bombas rotodinámicas, lo que constituye una desventaja, sino pulsatorio. En efecto, en la Fig.4, llamando ω— velocidad

angular constante de la manivela

r — radio de la manivela

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l — longitud de la biela Φ= ωt — ángulo

de giro de la manivela

x — camino recorrido por el émbolo desde el punto muerto superior D — desplazamiento

v — velocidad del émbolo s = 2r — carrera del émbolo,

Y siendo la relación  pequeña      . Entonces    —  —  —      —  

Por otra parte, 

        

Pero    tanto para    (punto muerto superior), como para    (punto muerto inferior); luego entre ambos valores hay un máximo, cuyo valor tiene lugar para 

 

           

Luego la velocidad no es constante, sino que sigue una ley sinusoidal. El volumen desplazado en un recorrido infinitesimal del émbolo será    

Pero       

luego (6)

         

Y el caudal instantáneo será 

     

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(7)



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Que no es constante, sino que sigue una ley sinusoidal. Como    y

 

  la Ec. (6) se deduce:       

Y el desplazamiento o volumen impulsado en una revolución, será: 



  ∫         ∫     []     

(8)

El caudal total será:  

 

 

 

Que coincide con la Ec. (4).

Fig.5. 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.

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La cámara de aire que aparece en la Fig.5, n.2 tiene como objeto amortiguar el golpe de ariete que resulta de la pulsación continua del caudal en la tubería de impulsión en las bombas de un solo émbolo llamadas simplex. La Fig.6 muestra una bomba de émbolo dúplex o de doble efecto. La Fig.7 es una bomba triplex , construida por la casa Kobe de

U.S.A.

Fig.6. Esquema de una bomba de émbolo de doble efecto.

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Fig.7. La bomba triplex Kobe, U.S.A., se construye para presiones hasta unas 2.000 bar y potencias de unos 130 kW para trabajo fuerte con aceite; hidrocarburos; nitrógeno, etileno, hidrógeno y anhídrido carbónico líquidos, etc., en prensas de forjado, ensayos destructivos pesados, ensayos hidrostáticos, etc.

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TEORIA (BOMBAS ROTOESTASTICAS) Teoría de la bomba o motor de paletas deslizantes En la Fig. 11 k llamemos: d — Diámetro interior del estator d' — Diámetro exterior del rotor b — Ancho del rotor

e — Excentricidad z — Número de paletas — Espesor de las paletas.

Consideremos la sección transversal máxima

ω entre

el rotor y el estator,

ω = 2eb,

donde 2e (doble de la excentricidad) le juega papel análogo al de la carrera en una bomba de émbolo. La velocidad media de la paleta será



       

Por tanto, despreciando el espesor de los álabes y las fugas, puesto que la velocidad media del líquido coincide con la velocidad del álabe, el caudal teórico Q” t será              y teniendo en cuenta el espesor de las paletas [     ]         y el caudal real, Q:   

[     ] 

Esta máquina se suele utilizar para líquidos, como bomba y como motor, y también para gases, como compresor y bomba de vacío. Teoría de la bomba o motor de engranajes Esta máquina tiene dos rotores En ella el desplazamiento D, o volumen desplazado por revolución es:     

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(18)



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Donde A —área del espacio ocupado por un diente, m3, SI b — altura del diente, m, SI z — número de dientes. El caudal útil de la bomba será 

     

  

   (19) 

CONCLUSIÓN Las máquinas de desplazamiento positivo, motores y bombas, constituyen la segunda clase de las dos en que fueron divididas en las máquinas hidráulicas. Estas máquinas, cuya teoría es mucho más sencilla que la de las turbomáquinas. Esta clase, además del grupo importante de las bombas de émbolo, comprende el grupo compuesto por los cilindros hidráulicos y neumáticos y las bombas y motores rotativos, grupo muy numeroso y variadísimo, que constituye hoy día en los países más desarrollados una industria floreciente, la cual encuentra cada día nuevas aplicaciones en el campo de las transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos y en el automatismo Este campo de las transmisiones y controles es un dominio casi exclusivo de las máquinas de desplazamiento positivo; mientras que en el campo de bombeo de líquidos y gases las turbomáquinas han invadido y seguirán invadiendo cada vez más el dominio en otro tiempo exclusivo de las máquinas de émbolo. Uno y otro hecho se fundan en el distinto principio de funcionamiento.

BIBLIOGRAFÍA Mataix, C. (1968). Mecanica de fluidos y Maquinas hidraulicas. En C. Mataix, Mecanica de fluidos y Maquinas hidraulicas (págs. 556-578). Madrid,España: Del Castillo S.A.

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75727662-Bombas-de-dezplazamiento-positivo.pdf

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