Las bombas de desplazamiento positivo se desarrollaron mucho antes que las bombas centrífugas. El líquido se desplaza positivamente de un contenedor de volumen fijo. Las bombas de desplazamiento positivo son capaces de desarrollar altas presiones mientras funcionan a bajas presiones de succión. Se les conoce comúnmente como bombas de volumen constante. A diferencia de las bombas centrífugas, su capacidad no se ve afectada por la presión contra la que operan. El flujo generalmente se regula variando la velocidad de la bomba o reciclando. Las bombas de desplazamiento positivo se dividen en dos grupos: bombas rotativas y recíprocas.

Bombas rotativas

Las bombas rotativas normalmente se limitan a servicios en los que la viscosidad del fluido es muy alta o el caudal es demasiado pequeño para ser manejado económicamente por otras bombas. Las bombas rotativas se utilizan comúnmente para hacer circular aceites lubricantes a través de motores, turbinas, engranajes reductores y rodamientos de maquinaria de proceso. Las bombas rotativas desplazan una cantidad fija de fluido por cada revolución del eje conductor. Tienen diferentes elementos de bombeo, como paletas, lóbulos, engranajes y tornillos. Higo. 1 ilustra tres (engranaje interno, engranaje externo y tornillo) de las bombas rotativas más utilizadas en operaciones de producción.

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  Fig. 1-Bombas rotativas de uso común.

la Mayoría de los fabricantes de rotary las bombas de capacidad (es decir, todo). La capacidad es el desplazamiento total de líquido de la bomba sin deslizamiento. Deslizamiento es la cantidad de fluido que se escapa de la descarga de alta presión a la succión de baja presión. El deslizamiento se produce porque todas las bombas rotativas requieren espacios libres entre los elementos giratorios y la carcasa de la bomba. Estos espacios libres proporcionan una trayectoria de fuga entre los lados de descarga y succión. Una bomba con grandes espacios libres, debido a las tolerancias de mecanizado o al desgaste, exhibe un deslizamiento proporcionalmente mayor. Las bombas rotativas no pueden mover fluidos no lubricantes, como agua o fluidos que contengan partículas duras o abrasivas. Las bombas rotativas pueden mover grandes cantidades de aire o vapor durante períodos cortos de tiempo sin perder el cebo.

Las bombas rotativas son autocebantes, pero no están diseñadas para funcionar en seco durante largos períodos de tiempo. Para un mejor funcionamiento, debe haber suficiente líquido en el puerto de succión para mantener la cámara de bombeo completamente llena.

Fig. 2 ilustra la relación entre velocidad, eficiencia volumétrica y desplazamiento de una bomba rotativa de desplazamiento positivo. A continuación se describen los principios de funcionamiento de algunos de los tipos más comunes de bombas rotativas.

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  Fig. 2-Relación entre velocidad, eficiencia volumétrica y desplazamiento de una bomba rotativa de desplazamiento positivo.

Corredera

Un conjunto de paletas está montado en un rotor en el que las aspas se deslice dentro y fuera del rotor. El rotor se monta descentrado en la carcasa. A medida que las paletas giran más allá del puerto de succión, se deslizan fuera del rotor mientras mantienen un contacto constante con la carcasa. Los resortes o anillos selladores ayudan a sujetar las paletas contra la carcasa, por lo que las paletas hacen un sellado cerrado, o se ajustan, contra la pared de la carcasa. El fluido atrapado es forzado desde el puerto de succión al puerto de descarga.

El diseño de paletas deslizantes es capaz de ofrecer una capacidad y un cabezal medios. Proporcionan un caudal constante para una velocidad de rotor establecida. Funcionan bien con fluidos de baja viscosidad y son algo autocompensantes por el desgaste. No son adecuados para su uso con fluidos altamente viscosos (los fluidos más gruesos interfieren con la acción deslizante de las paletas). Una gran área de desgaste resulta del ajuste de fricción entre las paletas y el cilindro.

Paleta flexible. La paleta flexible es similar a la paleta deslizante, excepto que las paletas son generalmente un material suave y flexible y están integradas con el rotor. A medida que el rotor gira, las paletas se doblan y se ajustan a la forma excéntrica del cilindro. Son simples, baratos y son capaces de desarrollar un vacío. No se debe permitir que se sequen y solo se deben usar con fluidos a baja temperatura y en aplicaciones de cabeza baja.

Engranaje externo

El engranaje externo consta de dos engranajes de malla de igual tamaño, uno un conductor y el otro una rueda loca, que giran dentro de una carcasa. A medida que los engranajes se desmembran en el lado de succión de la bomba, se forma un vacío. La presión fuerza el fluido a la bomba, donde el fluido se transporta entre los dientes del engranaje y la caja hasta el puerto de descarga. En la descarga, el acoplamiento de los dientes del engranaje crea un límite que evita que el fluido regrese a la succión. Las bombas de engranajes funcionan igual de bien cuando se accionan en cualquier dirección. Se deben tomar precauciones para garantizar que la rotación del eje sea correcta cuando se utilicen características especiales, como válvulas de alivio incorporadas o un retrovisor de purga del sello del eje.

También hay modelos que utilizan múltiples juegos de engranajes en un eje para producir más capacidad. Las bombas de engranajes externos son de tamaño compacto y pueden producir altas presiones. Son adecuados para fluidos altamente viscosos. Se fabrican fácilmente en una amplia gama de materiales para garantizar la compatibilidad con los fluidos bombeados. Debido a sus estrechas tolerancias, se limitan a aplicaciones de fluidos limpios.

Engranaje interno

La bomba de engranaje interno es similar en principio al engranaje externo, excepto que el eje de transmisión gira un engranaje anular con dientes internos. El diente de engranaje externo (rueda loca) gira en un centro de desplazamiento y se enmalla con el engranaje impulsor a través de solo un arco de rotación segmental. Un filtro fijo en forma de media luna ocupa el espacio entre las puntas de dientes de engranajes internos y externos frente al punto de malla. A medida que los dientes del engranaje se desenganchan en el puerto de entrada, el fluido entra y queda atrapado en el espacio dentario de cada engranaje y se transporta al puerto de descarga. El acoplamiento de los dos engranajes y la eliminación del espacio del diente fuerzan el fluido de la bomba.

Las bombas de engranajes laterales se utilizan en aplicaciones de cabezal bajo. Están limitados a una contrapresión máxima de 100 psi y requieren una válvula de alivio de presión en el lado de descarga. Debido a que existen pequeños espacios libres, no pueden manejar líquidos que contengan sólidos. Siempre se debe consultar al fabricante antes de utilizar cualquier bomba de engranajes con sólidos para el manejo de fluidos.

Las bombas de lóbulos

funcionan de la misma manera que las bombas de engranajes, excepto que los elementos giratorios tienen dos, tres o cuatro lóbulos en lugar de dientes de engranajes. Los lóbulos no pueden impulsarse entre sí, por lo que se utilizan engranajes de sincronización. Los lóbulos nunca entran en contacto entre sí, por lo que se puede dejar que la bomba se seque. Los lóbulos se utilizan cuando se debe mantener la integridad del producto y en aplicaciones en las que los líquidos son sensibles al cizallamiento. El gran volumen creado entre la carcasa y los lóbulos permite bombear muchos productos sin dañar el producto en sí. Una ventaja importante es que no hay contacto de metal a metal entre los lóbulos, por lo que la posibilidad de que trazas de hierro, acero u otros materiales de construcción de bombas terminen en el producto debido al desgaste se reduce en gran medida. Por otro lado, son más caras que las bombas de engranajes o paletas y son difíciles de reparar y mantener.

Tornillo

Las bombas de tornillo pueden tener un solo rotor (cavidad progresiva) o un diseño de rotor múltiple (entrelazado). Las bombas de tornillo son bombas de velocidad relativamente alta, pero, debido a la inversión del flujo necesaria para ingresar al paso de succión, NPSH a menudo puede ser un problema. Las bombas de tornillo se utilizan para aplicaciones de cabezal alto; son el tipo de bomba rotativa más común en uso en operaciones de producción.

De un solo tornillo

En el diseño de un solo tornillo, el fluido queda atrapado entre las bandas de rodadura de un tornillo giratorio y las bandas de rodadura del elemento estacionario interno. Estas bombas se utilizan para líquidos viscosos y líquidos con alto contenido de sólidos. Pueden producir una elevación de succión significativa y presiones relativamente altas. Pueden manejar fluidos que van desde agua limpia hasta lodos sin cambiar los espacios libres ni los componentes. Por otro lado, son caros, voluminosos y difíciles de mantener, y las piezas de repuesto son caras.

Tornillo múltiple

En el diseño de tornillo múltiple, el fluido fluye entre un tornillo de accionamiento central y uno o más tornillos tensores en una carcasa ajustada. En las bombas de dos tornillos, ambos ejes se accionan con engranajes de distribución. En las bombas de tres tornillos, las bandas de rodadura de los tornillos se cortan para que un tornillo pueda accionar los otros dos. La rotación de los tornillos produce un vacío en la entrada, mueve el fluido a través de la bomba y entrega el fluido a la descarga. En tamaños pequeños, se utilizan para suministrar aceite lubricante a motores y maquinaria industrial. En tamaños intermedios, se utilizan en edificios de oficinas como fuente de energía hidráulica para operar ascensores. En tamaños grandes, se utilizan para cargar y descargar barcazas y camiones cisterna.

Bombas recíprocas

Las bombas recíprocas mueven el líquido mediante un movimiento constante de ida y vuelta de un pistón, émbolo o diafragma dentro de un volumen o cilindro fijo. Las bombas recíprocas pueden manejar fluidos viscosos y abrasivos. Son máquinas de baja velocidad en comparación con las bombas centrífugas y rotativas. Ofrecen una mayor eficiencia, generalmente del 85 al 94%, por lo que requieren menos caballos de fuerza. Las bombas recíprocas son las más adecuadas para aplicaciones de alta presión y bajo volumen. A menudo requieren amortiguadores de pulsaciones debido a la naturaleza pulsante del flujo. Tienen costos de instalación más altos (generalmente compensados por una mayor eficiencia) y costos de mantenimiento más altos que las bombas centrífugas o rotativas.

Bombas de émbolo y pistón

En las bombas de émbolo, un émbolo se mueve a través de un sello empacado estacionario y se empuja y extrae de una cavidad líquida. En las bombas de pistón, un pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás dentro de una cavidad líquida empuja el fluido desde el cilindro. El movimiento del émbolo o del pistón crea un aumento y una disminución alternos del flujo. A medida que el émbolo o pistón se mueve hacia atrás, el volumen disponible en el cilindro aumenta y se abre una válvula de succión para permitir que el líquido ingrese al cilindro a través de una válvula de succión unidireccional. A medida que el émbolo o pistón avanza, el volumen disponible en el cilindro disminuye, la presión del líquido aumenta y el líquido se expulsa a través de una válvula de descarga unidireccional.

Las eficiencias permanecen altas independientemente de la altura o la velocidad (tienden a disminuir ligeramente con el aumento de la velocidad). Debido a que las bombas recíprocas funcionan a velocidades más bajas que las bombas centrífugas o rotativas, son más adecuadas para el manejo de líquidos viscosos. Son capaces de producir altas presiones y grandes capacidades y son autocebantes. Por otro lado, requieren más mantenimiento debido a la gran cantidad de piezas móviles. Son más pesadas y requieren más espacio que las bombas centrífugas o rotativas. Además, son pobres en el manejo de líquidos que contienen sólidos que tienden a erosionar válvulas y asientos. Las bombas de émbolo y pistón requieren NPSHS más grandes debido al flujo pulsante y a la caída de presión a través de las válvulas. Como resultado del flujo pulsante, requieren una atención especial al diseño de tuberías de succión y descarga para evitar vibraciones acústicas y mecánicas.

bombas de Diafragma

Fig. 3 muestra una bomba de diafragma típica de fluido (gas, aire o líquido). Su principio de funcionamiento es similar al de las bombas de émbolo y pistón, excepto que, en lugar de un émbolo o pistón, hay un diafragma pulsante flexible que desplaza el líquido. La presión variable del fluido de potencia en un lado del diafragma hace que el diafragma se desvíe, alternativamente, extrayendo líquido a la cámara del lado de la bomba o descargando el líquido de la cámara del lado de la bomba. Las bombas de diafragma son capaces de bombear líquidos viscosos, erosivos, corrosivos o que contienen grandes cantidades de sólidos. Además, las bombas de diafragma son autocebantes, pueden funcionar periódicamente sin líquidos y son baratas de reparar porque no tienen caja de relleno y tienen pocas piezas móviles.

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  Fig. Bomba de diafragma 3.

Las bombas de diafragma se limitan a caudales pequeños (90 gal / min), presiones de descarga moderadas y temperaturas moderadas. Requieren mantenimiento frecuente y presentan fallas por fatiga con el tiempo. Las fugas pueden causar un peligro al mezclar el fluido de potencia con el fluido de proceso. Las bombas de diafragma accionadas por gas / aire se utilizan comúnmente como bombas de sumidero.

Es posible utilizar un diafragma para alimentar una bomba de émbolo o pistón. Este tipo de bomba se usa a menudo para inyección de productos químicos porque es adecuada para aplicaciones de volumen bajo y cabezal grande, y la velocidad se puede controlar mediante una válvula de estrangulamiento en el fluido de potencia.

Consideraciones de rendimiento de la bomba alternativa

Las bombas alternativas son bombas de volumen constante. Las variaciones en las presiones de descarga no afectan al caudal. Debido a que estas bombas continúan entregando la misma capacidad, cualquier intento de acelerar el flujo de descarga puede sobrecargar la carcasa de la bomba y/o la tubería de descarga. Por lo tanto, nunca se debe arrancar ni operar una bomba alternativa con la válvula de bloqueo de descarga cerrada. El flujo está regulado por la velocidad.

Capacidad

La capacidad de una bomba de pistón es el desplazamiento del cilindro menos deslizamiento. Para un cilindro de efecto simple, el desplazamiento del cilindro se puede determinar desde

(Ec. 1)

Para cilindros de doble efecto, el desplazamiento del cilindro se puede determinar mediante

(Ec. 2)

donde

s = desplazamiento del cilindro

A = área del émbolo o pistón

a = área de la sección transversal del vástago del pistón

LS = longitud de carrera

N = velocidad

m = número de pistones o émbolos.

Deslizamiento es la pérdida de capacidad como porcentaje del desplazamiento del cilindro debido a la eficiencia volumétrica, las pérdidas de la caja de relleno y las pérdidas de la válvula. La eficiencia volumétrica (que no debe confundirse con la eficiencia mecánica) es normalmente del 95 al 97%. La eficiencia también se reduce cuando se bombea un hidrocarburo ligero que tiene cierto grado de compresibilidad.

La capacidad de la bomba se puede determinar a partir de

(Ec. 3)

donde

q = capacidad de la bomba.

Velocidad

La velocidad es el factor principal que determina tanto la capacidad de una bomba de pistón como sus costos de mantenimiento. Correr a altas velocidades acorta la vida útil del empaque y aumenta las fuerzas de aceleración y desaceleración en todos los componentes móviles. Operar por debajo de la velocidad máxima» nominal » puede ser ventajoso cuando la bomba se opera sin supervisión, cuando no hay repuestos ni espera, cuando hay una alta penalización por el tiempo de inactividad, cuando el mantenimiento de la unidad es deficiente, cuando se desea una larga vida útil y cuando el margen NPSH es bajo. Operar a las velocidades nominales máximas requiere:

• Fluidos limpios y fríos
• Excelente disposición de tuberías con tuberías rígidamente fijas
• Buen margen NPSH
• Base sólida
• Amortiguadores de pulsaciones de succión y descarga bien diseñados
• Buen mantenimiento

Siempre que sea necesario operar por encima de las velocidades nominales máximas, se debe prestar mucha atención a todos los detalles de diseño, operación y mantenimiento.

Pautas de instalación

Si las bombas de desplazamiento positivo se instalan y operan correctamente, se puede obtener un rendimiento satisfactorio durante mucho tiempo. Estas bombas se fabrican en una variedad de diseños para muchos servicios diferentes. Las instrucciones de cada fabricante deben seguirse cuidadosamente para máquinas o equipos de aplicación específicos. La siguiente discusión se refiere a las directrices generales de instalación para bombas alternativas de desplazamiento positivo.

Cimentaciones y alineación

La mayoría de cimentaciones de bombas están construidas de hormigón armado. La bomba y el conductor están atornillados a una placa base de hierro fundido o acero, que se sujeta a la base de hormigón con pernos de anclaje. Las bombas pequeñas necesitan una base lo suficientemente grande para acomodar el conjunto de la placa base. Las bombas grandes requieren una base de tres a cuatro veces el peso de la bomba y el conductor.

Instalación de manguito de perno de anclaje

Cada perno de anclaje está equipado con una arandela y pasa a través de un manguito de tubería que tiene un diámetro de tres a cuatro veces mayor que el perno. La unidad de manguito de perno se coloca en el hormigón en las posiciones predeterminadas del orificio de la placa base. La flexibilidad de la unidad de arandela de manguitos permite realizar ajustes menores en la posición del perno antes del ajuste final, incluso después de que la base de hormigón se haya establecido.

Ajustes de cuñas metálicas

Las cuñas metálicas se utilizan para colocar la bomba en la base. Se realizan ajustes hasta que el eje de la bomba y las bridas estén completamente nivelados. La alineación entre la bomba y el conductor se ajusta antes de conectar la bomba a las líneas de succión y descarga. Este último debería haberse alineado durante el posicionamiento inicial de la placa base.

Rejuntado

Debido a la tensión de la tubería, se debe volver a comprobar la alineación de todo el conjunto de la bomba una vez que la tubería se haya atornillado de forma segura. Si la alineación de la transmisión no se ha cambiado atornillando la tubería, el espacio entre la placa base y los cimientos de hormigón se llena con lechada. La lechada debe ser lo suficientemente fluida para llenar todo el espacio disponible debajo de la placa base.

Consideraciones de temperatura de funcionamiento

Es esencial que la alineación entre la tubería, la bomba y el conductor no cambie. Idealmente, las alineaciones deben hacerse a la temperatura de funcionamiento después de la alineación inicial en frío del sistema de bombeo, eliminando así cualquier cambio de alineación debido a la expansión térmica.

Tuberías

Junto con la selección de velocidades de funcionamiento, el diseño de tuberías adecuado es la consideración más importante en el diseño de la instalación de bombas. Las tuberías deficientes a menudo son el resultado de la falta de atención a los detalles, lo que puede llevar a un tiempo de inactividad superior al promedio, mayores costos de mantenimiento y pérdida de confianza del personal operativo.

La tubería de succión debe ser directa, libre de curvas, lo más corta posible y al menos un tamaño nominal de tubería mayor que la conexión de succión de la bomba. Los cambios direccionales de las tuberías deben hacerse con codos de radio largo. Se debe instalar una válvula de bloqueo de apertura completa en la tubería de succión. El recipiente de succión debe tener suficiente tiempo de retención para la evolución del gas libre y debe estar equipado con un interruptor de vórtice en la boquilla de descarga. Las líneas de succión y derivación deben ingresar al recipiente por debajo del nivel mínimo de líquido.

La tubería de succión debe ser lo suficientemente grande para que no se excedan los límites de velocidad. Se deben usar reductores excéntricos con el lado plano hacia arriba en lugar de reductores concéntricos. La tubería de succión debe incluir un filtro de succión y un amortiguador de pulsaciones. No se deben instalar coladores de succión a menos que se pueda garantizar un mantenimiento regular. Una condición de falta de líquido resultante de un colador tapado puede causar más daño a la bomba que la ingestión de sólidos.

La tubería de descarga debe ser directa, libre de curvas excesivas y al menos un tamaño nominal de tubería mayor que la conexión de descarga de la bomba. Los cambios direccionales de las tuberías deben hacerse con codos de radio largo. Se pueden usar reductores concéntricos, pero deben colocarse lo más cerca posible de la bomba. Para facilitar el cebado y el arranque, se debe instalar una línea de derivación (reciclaje) con válvula de retención y válvula de bloqueo en la fuente de succión. Si no se incluye un amortiguador de pulsaciones en la instalación inicial, deberá proporcionarse una conexión con bridas si es necesario atenuar las pulsaciones. Se debe instalar una válvula de alivio antes de la válvula de bloqueo de descarga, en caso de que se produzca sobrepresión en la tubería de descarga.

Consideraciones de pulsación

El flujo de una bomba alternativa no es uniforme. El movimiento oscilante de los émbolos crea perturbaciones (pulsaciones) que viajan a la velocidad del sonido desde el cilindro de la bomba hasta el sistema de tuberías. Las pulsaciones son una función de la velocidad del pistón/émbolo de la bomba, las válvulas internas y la velocidad de funcionamiento. Las pulsaciones hacen que el nivel de presión del sistema fluctúe con respecto al tiempo.

Las pulsaciones de succión pueden hacer que el nivel de presión caiga instantáneamente por debajo de la presión de vapor del fluido, lo que resulta en cavitación. Caviation puede causar el fracaso de las piezas de la bomba, tales como:

• Válvulas
• Crucetas
• Cañas
• etc.

La caviación también puede causar vibraciones altas en las tuberías que dan lugar a la falla de:

• Respiraderos
• Desagües
• Líneas de calibre

Las abrazaderas y soportes normales para tuberías pueden no ser eficaces para controlar estas vibraciones.

Las pulsaciones pueden ser amplificadas por las resonancias acústicas del sistema de tuberías, lo que resulta en fallas en el extremo del fluido de la bomba y fallas en las tuberías debido a la sacudida causada por la pulsación de presión. Para diseños de tuberías simples y velocidades de bomba de bajas a moderadas, se utilizan amortiguadores de pulsaciones para atenuar los efectos de los flujos pulsantes. Los amortiguadores de pulsaciones normalmente se instalan tanto en la succión como en la descarga. Los amortiguadores pueden ser filtros acústicos llenos de líquido, amortiguados con gas o sintonizados. Para tuberías complicadas y de múltiples bombas y altas velocidades de bomba, se utilizan filtros acústicos.

El diseño de un sistema de amortiguación de pulsaciones está fuera del alcance de este capítulo. Se necesita experiencia especial para analizar y controlar las pulsaciones en instalaciones de múltiples bombas.

Nomenclature

s	=	cylinder displacement
A	=	plunger or piston area
a	=	piston-rod cross-sectional area
LS	=	stroke length
N	=	speed
m	=	number of pistons or plungers
q	=	pump capacity

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