Bombas de desplazamiento positivo

Bombas de desplazamiento positivo

Para muchas necesidades de la vida diaria tanto en la vida doméstica como en la industria, es preciso impulsar sustancias a través de conductos, los aparatos que sirven para este fin se conocen como bombas de impulsión. Aunque en la práctica se pueden bombear gases e incluso sólidos en suspensión gaseosa o líquida, para los intereses de esta página se consideran bombas solo las máquinas diseñadas para trasegar líquidos. La diversidad de estas máquinas es extensa, aquí solo trataremos las de desplazamiento positivo.

Clasificación de las bombas.

Todas las bombas pueden clasificarse en dos grupos generales:

Bombas Dinámicas
Bombas de Desplazamiento

Las bombas de desplazamiento positivo no tienen límite de presión máxima de impulsión, esta presión de salida puede llegar a valores que ponen en peligro la integridad de la bomba si el conducto de escape se cierra completamente. Para garantizar el funcionamiento seguro de ellas, es necesaria la utilización de alguna válvula de seguridad que derive la salida en caso de obstrucción del conducto.
Si el ajuste es apropiado, estas bombas pueden bombear el aire de su interior y con ello, crear la suficiente depresión en el conducto de admisión como para succionar el líquido a bombear desde niveles más bajos que la posición de la bomba, aun cuando estén llenas de aire. Se caracterizan porque el caudal de bombeo casi no es afectado por la presión de funcionamiento.

En estas bombas el fluido que se desplaza siempre esta contenido entre el elemento impulsor y la carcaza a diferencia de las centrífugas.


Principio del desplazamiento positivo.

El funcionamiento de las bombas de desplazamiento positivo no se basa, como el de las turbomaquinas, en la ecuación de Euler sino en el principio del desplazamiento positivo. Que consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por tanto en una maquina de desplazamiento positivo el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente que tener un movimiento alternativo (embolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).
Sin embargo, en las maquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye de volumen (impulsión). Por ello estas maquinas también se llaman volumétricas.

Clasificación de las bombas de desplazamiento positivo

Estas bombas se pueden clasificar en:

Bombas de embolo
Bombas de engrane
Bombas de diafragma
Bombas de paletas

Bombas de embolo.

En estas bombas el líquido es forzado por el movimiento de uno o mas pistones ajustados a sus respectivos cilindros tal y como lo hace un compresor.



En la figura 1 se muestra un animado de como se produce el bombeo, observe el movimiento de las válvulas de entrada y salida con el movimiento del pistón. Durante la carrera de descenso del pistón, se abre la válvula de admisión accionada por el vacío creado por el propio pistón, mientras la de descarga se aprieta contra su asiento, de esta forma se llena de líquido el espacio sobre él. Luego, cuando el pistón sube, el incremento de presión cierra la válvula de admisión y empuja la de escape, abriéndola, con lo que se produce la descarga. La repetición de este ciclo de trabajo produce un bombeo pulsante a presiones que pueden ser muy grandes.

El accionamiento del pistón en las bombas reales se fuerza a través de diferentes mecanismos, los más comunes son:

Mecanismo pistón-biela-manivela
Usando una leva que empuja el pistón en la carrera de impulsión y un resorte de retorno para la carrera de succión como en la bomba de inyección Diesel.


Estas bombas de pistones son de desplazamiento positivo, y dada la incompresibilidad de los líquidos no pueden funcionar con el conducto de salida cerrado, en tal caso se produciría o bien la rotura de la bomba, o se detiene completamente la fuente de movimiento, por ejemplo, el motor eléctrico de accionamiento.

Como durante el trabajo se produce rozamiento entre el pistón y el cilindro, necesitan de sistemas de lubricación especiales para poder ser utilizadas en la impulsión de líquidos poco lubricantes tales como el agua. Tampoco pueden ser usadas con líquidos contaminados con partículas que resultarían abrasivas para el conjunto.
Una variante de este método de bombeo se utiliza en los molinos de viento tradicionales, en este caso el cilindro es inoxidable, generalmente de bronce, y el pistón, también inoxidable, está dotado de sellos o zapatillas de cuero, las que duran bastante tiempo lubricadas con el agua de funcionamiento a las bajas velocidades de acción de estos molinos.

En la figura 2 se muestra un animado de este método, observe como en este caso la impulsión es axial, y hay una válvula colocada en el centro del pistón. Esta válvula permite el paso desde la cámara inferior del cilindro a la cámara superior durante la carrera de descenso, luego, cuando el pistón sube se cierra, y el agua es impulsada hacia arriba por el pistón.




Otra válvula en la parte inferior del cilindro permite la entrada del agua a este cuando el pistón sube y crea succión debajo, pero se cierra cuando este baja, obligando al agua a cambiar de la cámara inferior a la superior del pistón a través de la válvula central.

Bombas de engranes
Hay diferentes variantes de las bombas de engrane, pero la mas común es la que se muestra animada en la figura 3.



En un cuerpo cerrado están colocados dos engranes acoplados de manera que la holgura entre estos y el cuerpo sea muy pequeña.
El accionamiento de la bomba se realiza por un árbol acoplado a uno de los engranes y que sale al exterior. Este engrane motriz arrastra el otro.
Los engranes al girar atrapan el líquido en el volumen de la cavidad de los dientes en uno de los lados del cuerpo, zona de succión, y lo trasladan confinado por las escasas holguras hacia el otro lado. En este otro lado, zona de impulsión, el líquido es desalojado de la cavidad por la entrada del diente del engrane conjugado, por lo que se ve obligado a salir por el conducto de descarga.
La presión a la salida en estas bombas es también pulsante como en las bombas de pistones, pero los pulsos de presión son en general menores en magnitud y más frecuentes, por lo que puede decirse que tienen un bombeo mas continúo que aquellas. Este tipo de bombas es muy utilizado para la impulsión de aceites lubricantes en las máquinas y los sistemas de accionamiento hidráulico.


Bombas de diafragma
En la figura 4 se muestra de forma esquemática un animado del funcionamiento de estas bombas.


El elemento de bombeo en este caso es un diafragma flexible, colocado dentro de un cuerpo cerrado que se acciona desde el exterior por un mecanismo reciprocante.
Este movimiento reciprocante hace aumentar y disminuir el volumen debajo del diafragma, observe que un par de válvulas convenientemente colocadas a la entrada y la salida fuerzan el líquido a circular en la dirección de bombeo.
Como en las bombas de diafragma no hay piezas fricionantes, ellas encuentran aplicación en el bombeo de líquidos contaminados con sólidos, tal como los lodos, aguas negras y similares.

Bombas de paletas
Utilicemos el esquema de la figura 5 para la descripción de las bombas de paletas.




Dentro de un cuerpo con una cavidad interior cilíndrica se encuentra un rotor giratorio excéntrico por donde entra el movimiento a la bomba. En este rotor se han practicado unos canales que albergan a paletas deslizantes, construidas de un material resistente a la fricción. Cada paleta es empujada por un resorte colocado en el fondo del canal respectivo contra la superficie interior de la cavidad del cuerpo. Este resorte elimina la holgura entre la paleta y el interior de la bomba, con independencia de la posición del rotor, y además compensa el desgaste que puede producirse en ellas con el uso prolongado.

Cuando el rotor excéntrico gira, los espacios entre las paletas de convierten en cámaras que atrapan el líquido en el conducto de entrada, y lo trasladan al conducto de salida. Observe que, debido a la excentricidad, del lado de la entrada, la cámara se agranda con el giro y crea succión, mientras que del lado de la salida, la cámara se reduce y obliga al líquido a salir presurizado.
En la figura 6 puede verse un animado del funcionamiento de una de estas bombas utilizando solo dos paletas para simplificar.




La debida hermeticidad de las paletas y el cuerpo se garantiza por la presión del resorte colocado entre ellas.

Determinación del gasto en una bomba de desplazamiento positivo.

Como vimos en la figura 1 tenemos una bomba de embolo de simple efecto.
El movimiento del motor eléctrico, de gasolina, diesel, etc., se transmite por el mecanismo de biela-manivela al vástago del embolo. En fin a cada revolución del motor corresponden dos carreras (ida y vuelta) del embolo; pero solo en una se realiza bombeo de liquido.

Para calcular el gasto teórico de la bomba llamemos:
D = Diámetro del embolo
R = Radio del cigüeñal
N = velocidad del cigüeñal en r.p.m

El volumen desplazado en cada carrera = π/4 (D2*2R) y, en condiciones ideales, el gasto teórico será:

Q = π/4 (D2 * 2RN/60)

Aquí se comprueba que el gasto de una bomba de embolo no depende de la presión sino del área del embolo, de la carrera y la velocidad del desplazamiento.
La velocidad media del embolo no suele exceder de 5 ft/s y el numero de revoluciones del motor no suele exceder 550 a 600 rpm. En las bombas modernas se nota un aumento en la velocidad del embolo con lo que se disminuyen las dimensiones y el peso de la bomba.

La regulación del gasto en estas bombas no se hace por el cierre de la válvula de descarga, sino variando el numero de revoluciones del motor; o bien desviando una parte del gasto de l tubería de descarga a la de succión.

La válvula de descarga en una bomba de embolo solo se debe cerrar al pararla, jamás en marcha; de lo contrario, la presión crecería hasta el punto que excedería la potencia que el motor puede proporcionar.

Gasto real de la bomba: Q real es menor que el teórico, a causa de las fugas debidas a retraso de cierre en las válvulas, a que estas no sellan perfectamente y a las perdidas entre la prensa-estopas y la flecha.

Además el caudal disminuye a causa del aire mezclado con el liquido succionado que se desprende debido al vació creado por la bomba.

El gasto real esta dado por:

Q = Qt*ηv

Donde ηv oscila entre 0.85 a 0.99. es mayor en las bombas cuyo embolo es de mayor diámetro y es tanto menor cuanto menor es la viscosidad del fluido.