Unidad IV Bombas de Desplazamiento Positivo

UNIDAD IV BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO UNIDAD IV BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

4.1 CLASIFICACION Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El órgano principal de las máquinas de desplazamiento positivo, que desi de sign gnar arem emos os co con n el no nomb mbre re ge gené néri rico co de desplazador , tien tiene e la misi mi sió ón de in inte terc rcam ambi biar ar en ener ergí gía a co con n el lí líqu quid ido, o, lo qu que e im impl plic ica a undesplazamiento del mis ismo mo.. Est ste e órg rga ano admi mite te in inffin inid ida ad de diseños, y el campo abierto a la imaginación del ingeniero proyectista proyectista es tan grande que constantemente aparecen en el mercado nuevas formas constructivas. Sin Si n em emba barg rgo, o, es fá fáci cill cl clas asif ific icar ar es esto tos s di dise seño ños s at aten endi dien endo do a do dos s criterios distintos tipo po de mo movi vimi mien ento to del de !rimer !ri mer cri crite terio rio Se Seg"n g"n el ti despl splaza azador dor las máquinas de desplazamiento positivo se clasifican en • •

#áquinas alternativas y máquinas rotativas. El principio de desplazamiento positivo en las máquinas alternativas se e$plicó por medio de la %ig. &. 'a %ig.( demuestra que el mismo prin pr inci cipi pio o se pu pued ede e re real aliz izar ar en un una a má máqu quin ina a ro rota tati tiva va.. 'a fi figu gura ra representa una bomba de paletas deslizantes . )l girar el rotor e$céntrico con relación a la carcasa en sentido de las agu*as del relo* de  A a B aumenta el volumen, se crea una succión y ent ntrra el lí líqu quid ido o por el condu duc cto y la lu lumb mbre rerra de ad adm mis isió ión n+ de B a A el volumen entre el rotor y la carcasa disminuye y el líquido es impulsado por la lumbrera y el conducto de salida el principio de funcionamiento de esta máquina es, pues, el mismo que el de una bomba de émbolo un volumen que aumenta y realiza la succión y luego disminuye realizando la impulsión de nuevo el  principio de desplazamiento positivo.

• •

Segundo criterio Seg"n la variabilidad del desplazamiento se clasifican en #áquinas de desplazamiento fi*o y #áquinas de desplazamiento variable. 'a variación del desplazamiento en una máquina alternativa es fácil basta variar la carrera del émbolo. En algunas máquinas rotativas también es fácil. !or e*emplo, en la %ig. (, para variar el desplazamiento basta variar la e$centricidad del rotor. esplazamiento,  A es el volumen desplazado en una revolución. !or tanto el caudal , Q, en las máquinas de desplazamiento positivo será -n En muc/as aplicaciones interesa variar el caudal. Seg"n la Ec. 012 esto puede lograrse variando n+ pero no es recomendable y se usa poco. 'o más ordinario es variar D, como se acaba de e$plicar. En resumen, atendiendo a los dos criterios enunciados, las máquinas de desplazamiento positivo se clasifican en cuatro grupos &. #áquinas alternativas de desplazamiento fi*o+ (. #áquinas alternativas de desplazamiento variable+ 1. #áquinas rotativas de desplazamiento fi*o+ 3. #áquinas rotativas de desplazamiento variable. 'os grupos & y (, o máquinas alternativas, tienen dos campos de aplicación distintos !rimer campo de aplicación bombeo de líquidos. Segundo campo de aplicación transmisiones y controles /idráulicos y neumáticos. En el primer campo se utilizan muc/o las bombas de émbolo de diferentes tipos que estudiaremos en este capítulo. En el segundo campo se utilizan los cilindros /idráulicos y neumáticos.

'os grupos 1 y 3 o máquinas rotoestáticas se estudiarán más adelante.

BOMBAS

ROTATORIAS.

'as bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una ca*a fi*a que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de 4aventar4 el liquido como en una bomba centrifuga, una bomba rota y a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flu*o continuo. )unque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. !ueden mane*ar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos. 5ncluso puede e$istir la presencia de sólidos duros en el liquido si una c/aqueta de vapor alrededor de la ca*a de la bomba los puede mantener en condición fluida.

BOMBAS

DE

MEMBRANA

6ambién llamadas bombas de diafragma son un tipo de bombas de desplazamiento positivo 0generalmente alternativo2 que utilizan paredes elásticas 0membranas o diafragmas2 en combinación con válvulas de retención 0c/ec72 para introducir y sacar fluido de una cámara de bombeo.

'as principales venta*as de estas bombas son •

8osto de mantención ba*os. 9o tienen sellos mecánicos.

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5nversión inicial menor.

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#anipula productos abrasivos.

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#anipula fluidos viscosos.

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:ombea productos sensibles al esfuerzo de corte sin dañarlos.

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iversidad de materiales seg"n el tipo de fluido.

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)plicaciones en ambientes inflamables y e$plosivos.

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)plicaciones sumergibles. Bombas

de

Pistón

Estas bombas son /idráulicas de desplazamiento positivo, utilizan dos o tres pistones los cuales en con*unto permiten bombear un volumen cierto de fluido de acuerdo a la velocidad a la que esta se mueva. las bombas de pistón tiene una presión constante la cual depende directamente del diámetro de su pistón. El flu*o de salida y entrada a estas bombas es el que varía de acuerdo a la velocidad de la bomba y al diámetro y a la carrera del pistón. 8uentan con válvulas de carga y descarga y su sistema motriz es parecido al de el motor de un automóvil. 3.( :;#:)S E ES!')<)#5E96; !;S565=; El funcionamiento de las máquinas de desplazamiento positivo no se basa, como el de lasturbomáquinas, en la ecuación de Euler, sino en el principio del desplazamiento positivo que se estudia a continuación. En el interior del cilindro de la %ig. (>?& en que se mueve un émbolo con movimiento uniforme y velocidad v  /ay 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  /acia la izquierda el volumen ocupado por el líquido se reducirá en un valor igual a  Al  0donde A@ área transversal del émbolo2. 8omo el fluido es incompresible el volumen de fluido que sale por el orificio será también  Al . El tiempot  empleado en recorrer la distancia  l  es t=l/v  El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara . !or tanto, en una máquina de desplazamiento positivo •

El órgano intercambiador de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo 0émbolo2, sino que puede tener movimiento rotativo 0rotor2. Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo tanto alternativas como rotativas, siempre /ay una cámara que aumenta de volumen 0succión en una bomba2 y disminuye de volumen 0impulsión2. !or eso estas máquinas se llaman también máquinas volumétricas .

)demás, si el órgano transmisor de energía tiene movimiento rotativo, la máquina se llama rotoestática para distinguirlas de las rotodinámicas. Ana máquina rotoestática es una máquina de desplazamiento positivo de movimiento rotativo. •

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El intercambió de energía de fluido se /ace 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 *uegan un papel esencial. 'a curva característica o curva H—Q de una turbomáquina, por e*emplo, de una bomba revela que la bomba sólo puede alcanzar una altura 0presión2 má$ima que, seg"n la ecuación de Euler, depende de la forma del rodete. !or el contrario, supongamos que la %ig. & represente una bomba de émbolo. Es evidente que, teóricamente, el caudal Q no dependerá de la resistencia en la tubería de impulsión, que se refle*ará en un aumento de la presión  p  que reine en el cilindro, ya que dada una velocidad de émbolo r , el desplazamiento será el mismo, y el caudal también. )demás, si las paredes del émbolo son suficientemente robustas, y el motor de accionamiento es suficientemente potente, la bomba proporcionará toda la presión que se le pide. 6eóricamente la curva H—Q de una bomba de desplazamiento positivo será una paralela al e*e H . 'as turbomáquinas  basadas en la ecuación de Euler en general no son reversibles+ una bomba roto dinámica al funcionar como turbina empeora su rendimiento, y en algunos casos es incapaz de producir potencia "til alguna. 'a razón es que los ángulos de los álabes *uegan un papel decisivo en la transmisión de la energía, y al funcionar como turbina los álabes no poseen ya los ángulos apropiados. !or el contrario, el principio de desplazamiento positivo /ace que todas las máquinas basadas en él sean fundamentalmente reversibles. El que algunas máquinas prácticamente no lo sean no es en virtud de la /idráulica, sino de la mecánica del aparato. !or e*emplo, ciertas bombas de paletas deslizantes funcionando como motor a pequeñas velocidades pueden no llegar a desarrollar la fuerza centrífuga necesaria para producir suficiente estanqueidad. En las transmisiones y controles se emplean casi e$clusivamente las máquinas de desplazamiento positivo+ quedando casi eliminadas de este dominio las turbomáquinas. !ara ello e$isten dos razones

&.? En las turbomáquinas al variar la presión varía el caudal. Si, por e*emplo, se emplease una bomba rotodinámica  para el sistema de presión del accionamiento /idráulico de una e$cavadora, al encontrar ésta mayor resistencia en el terreno, se reduciría la velocidad de traba*o de la misma. Si se emplea una bomba rotoestática no. (.?Ana bomba rotodinámica da una presión má$ima. Si aumenta la resistencia aumenta la presión necesaria en la bomba, que no puede e$ceder dic/o valor má$imo y la máquina se calaría. 'a bomba rotoestática, no. 4.3 CALCULO, SELECCION Y APLICACION

)l seleccionar bombas para una aplicación dada, tenemos varias bombas entre las que elegir. Baremos lo posible para seleccionar una bomba que opere con un rendimiento relativamente alto para las condiciones de funcionamiento dadas. 'os parámetros que se deben investigar incluyen la velocidad específica 9s, el tamaño  del impulsor y la velocidad de operación n. ;tras posibilidades son el uso de bombas multietapa, bombas en serie, bombas en paralelo, etc. 5ncluso, ba*o ciertas condiciones, limitar el flu*o en el sistema puede producir a/orros de energía. El ob*etivo 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 !#C 0punto de má$imo de rendimiento2. Esto tiende a optimizar el rendimiento de la bomba, minimizando el consumo de energía. El punto de operación puede desplazarse cambiando la curva características de la bomba, cambiando la curva característica del sistema o cambiando ambas curvas. 'a curva de la bomba puede modificarse cambiando la velocidad de funcionamientos de una bomba dada o seleccionando una bomba distinta con características de funcionamiento diferentes. En algunos casos puede ser una ayuda a*ustar el impulsor, es decir, reducir algo su diámetro, alrededor de un D por &, mediante rectificado. Este impulsor mas reducido se instala en la cubierta original. 'a curva característica del sistema puede cambiarse modificando el tamaño de la tubería o estrangulando el flu*o. Ana complicación que se presenta a menudo es que los niveles de ambos e$tremos del sistema no se mantienen constantes, como ocurre si los niveles de los depósitos fluct"an. En tal caso es difícil alcanzar un rendimiento alto para todos los modos de funcionamiento. En casos e$tremos a veces se utiliza un motor con velocidad variable. El procedimiento de selección de una bomba que permita una recirculación segura es selecciones una bomba que produzca el flu*o de descarga -a deseado. 'a curva E es la característica de carga y capacidad de la bomba y la curva a es la de carga del sistema para la descarga /acia el tanque ). 'a bomba funciona con una carga de Bop. !ara incluir circulación continua en el sistema de bombeo, /ay que aumentar el caudal de la bomba con la carga Bop de funcionamiento para mantener una descarga de -a /acia el tanque ) y, al mismo tiempo, una recirculación -b de retorno al tanque :. !ara lograrlo, se selecciona el tamaño inmediato mayor de impulsor con la curva de rendimiento %. Si se conoce el flu*o -b con la curva Bop de funcionamiento para orificio y tubo de recirculación, el flu*o de recirculación -s, en el punto de corte de la bomba se puede determinar con en donde B, es la carga de corte de la bomba con la curva de rendimiento %.

8alc"lese el flu*o mínimo seguro, -min, para la bomba con curva de rendimiento % y la ecuación 0(2 y conviértase Fmin a -min. 8ompárese la recirculación, -s, en el punto de corte de la bomba contra el flu*o seguro mínimo, -min. Si -s, es mayor que o igual a -min, esto concluye el proceso de selección. Si -, es menor que -min, selecciónese el tamaño inmediato mayor de impulsor y repítase los pasos 1, 3 y D /asta eterminar el tamaño de impulsor que produzca la recirculación mínima segura.