Bombas volumétricas - SH

Transcripción

1 2. Bombas Bombas de desplazamiento positivo. o Tipos. Características. Selección. Bombas hidrá dráulicas Una bomba hidráulica es una máquina generadora que comunica energía al fluido que está contenido o que circula a través de ella. La energía hidráulica comunicada por la bomba es suministrada por un motor. Las máquinas se denominan motores cuando transforman la energía hidráulica del fluido en energía mecánica. Son máquinas de fluido: las bombas, los ventiladores, los compresores, las turbinas hidráulicas, las turbinas de gas y de vapor, pero también los tornillos de Arquímedes o las ruedas hidráulicas. Bombas hidráulicas 1

2 Clasificación Las máquinas pueden clasificarse según: El sentido de transmisión de la energía entre el fluido y la máquina (bombas frente a turbinas, generadores frente a motoras). La compresibilidad del fluido (bombas frente a compresores). El principio de funcionamiento (una bomba centrífuga frente a un compresor de pistones). Bombas/ Clasificación Según el principio p de funcionamiento, las bombas pueden ser: Máquinas de desplazamiento positivo o volumétricas. Máquinas rotodinámicas o turbomáquinas, en las que el intercambio de energía se produce mediante transferencia de cantidad de movimiento. Máquinas gravimétricas, en las que el intercambio de energía es del tipo potencial gravitatoria. Las bombas capilares y las bombas de ariete entrarían dentro de otra clasificación. Bombas/ Clasificación 2

3 Generalidades Las bombas hidráulicas más usuales son las bombas de desplazamiento positivo ylasrotodinámicasoturbomáquinas o turbomáquinas. Bombas/ Generalidades La transferencia de energía se realiza en el proceso de compresión que experimenta el fluido a su paso por la máquina, al atravesar ésta en forma de paquetes discretos que no interactúan entre sí. En las bombas de desplazamiento positivo el fluido circula a través de la bomba en forma de paquetes discretos separados unos de otros. No pueden trabajar contra válvula de impulsión cerrada. Necesitan de una válvula de seguridad. La potencia hidráulica transmitida resulta de la variación del momento cinético que experimenta el fluido al atravesar el rodete de la máquina. Estas máquinas también se denominan de desplazamiento no positivo por contraposición. Los orificios de entrada y salida de la bomba b están comunicados hidráulicamente por un canal abierto de forma que el fluido puede recircular en el interior de la bomba. Pueden trabajar contra válvula de impulsión cerrada. Bombas/ Generalidades 3

4 El caudal que impulsa la bomba es poco dependiente de la presión de trabajo, dentro de los límites de potencia del accionamiento y bajo las especificaciones de seguridad. El caudal es proporcional a las revoluciones del accionamiento dentro del intervalo de velocidades facilitado por el fabricante. Tienen diversos elementos móviles para transportar el fluido de la entrada a la salida. Estos elementos pueden ser válvulas, ruedas dentadas, paletas, pistones, etc. Bombas/ Generalidades El caudal que impulsa la bomba depende de la presión de trabajo. Al cerrar la válvula de impulsión, aumenta la presión de trabajo y el caudal efectivo se hace nulo. El caudal de impulsión es proporcional a las revoluciones del accionamiento en sistemas hidráulicos de altura estática nula. Las bombas rotodinámicas utilizan uno o varios rodetes para comunicar la energía al fluido. Por norma general, el o los rodetes son los únicos elementos móviles en el interior de la bomba. El caudal impulsado es pulsante, lo que genera pulsos de presión en el sistema de cuantía importante. La oscilación de la presión provoca vibraciones y ruido, efectos que han de ser atenuados en lo posible. El caudal se impulsa de forma continua. La aparición de pulsos de presión acostumbra a ser debida a la frecuencia de paso de los álabes del rodete (y son, en general, de pequeña magnitud) o a la generación de fenómenos transitorios en la instalación. Las bombas b de desplazamiento Por norma general son de capacidad d positivo son autoaspirantes. No de aspiración limitada y muy inferior obstante, su capacidad de a las bombas de desplazamiento aspiración, definida en términos de positivo. Han de ser cebadas para altura de aspiración, depende del que puedan impulsar caudal. No tipo de bomba. obstante, existen tipologías de bombas rotodinámicas autocebantes. Bombas/ Generalidades 4

5 Balanceenergético El planteamiento de la ecuación de la energía entre la entrada, E, y la salida, S, de una máquina, por la que se ha establecido un flujo másico de fluido, G, en régimen estacionario, se expresa: S 2 E 2 2 G h v gz h v gz W Q es decir: << El producto del gasto másico y la variación entre la salida y la entrada de la suma de la entalpía, la energía cinética y la energía potencial gravitatoria es igual a la suma del trabajo más el calor comunicados al fluido en el interior de la turbomáquina y por unidad de tiempo >> Bombas/ Balance energético La expresión anterior es válida bajo las hipótesis siguientes: Proceso casi estacionario (sin acumulación de masa o energía en el interior de la máquina). Sistemas de una entrada y una salida del flujo (común en la mayoría de máquinas). Condiciones de flujo uniforme en las secciones de entrada y salida (y con factores correctores de la energía cinética cercanos a la unidad). Velocidad del fluido en las superficies fijas no móviles nula (condición de no deslizamiento). Nota: El análisis anterior es válido para una máquina de desplazamiento positivo si se considera un promediado temporal para las condiciones en la entrada y la salida de la máquina y sin acumulación de masa o energía en su interior. Si esto no fuera posible, se tendrían que incluir los términos no estacionarios y el tratamiento actual no sería aplicable. Bombas/ Balance energético 5

6 Energía mecán ecánica La ecuación de la energía mecánica a través de una máquina se obtiene de la ecuación de la energía cuando se agrupan los términos térmicos y se identifican las pérdidas viscosas en el volumen interior de la máquina, V. El resultado es: W ps p 1 w E 2 2 ( v ) ( ) V S v E g z S z E G 2 G válida para fluido incompresible. Bombas/ Balance energético/ Energía mecánica Altura manométrica Es común definir el término altura manométrica para denominar el incremento de energía mecánica útil por unidad de peso de fluido bombeado [J/N]. La altura manométrica comunicada por la bomba, H B, es: 1 W UTIL 1 ps pe HB ( es ee) ( vs ve) ( zs ze) g G g g 2g válida para fluido incompresible. Bombas/ Balance energético/ Altura manométrica 6

7 Bombas de desplazamiento + Una bomba hidráulica es de desplazamiento positivo cuando impulsa un volumen fijo y positivo de fluido por vuelta del elemento motor. El caudal total impulsado es el resultado del proceso continuo de impulsión, y se obtiene combinando la capacidad volumétrica de la bomba y las revoluciones del accionamiento. El fluido entra atraído por la depresión que se genera en la línea de aspiración. La presión se genera al introducir fluido en un sistema de capacidad finita. Bombas/ Desplazamiento + Tipos Según el principio de funcionamiento: Bombas oscilantes, alternativas o recíprocas, formadas por uno o varios pistones en movimiento alternativo y diversas válvulas de aspiración e impulsión. Sus tipos más frecuentes son de pistones y de membrana. Bombas rotativas, en las que un mecanismo en rotación se encarga de transportar el fluido de la aspiración a la impulsión. Bombas/ Desplazamiento +/ Tipos 7

8 Bombas de émbolo Un émbolo atrae fluido hacia un receptáculo en la carrera de aspiración y lo expulsa en la de impulsión. Necesitan de sendas válvulas de aspiración e impulsión. El movimiento alternativo del émbolo puede obtenerse manualmente o mediante un mecanismo en biela-manivela. Bombas/ Desplazamiento +/ Alternativas/ Émbolo Bombas de membrana Como la anterior, pero el émbolo es solidario de una membrana elástica que garantiza la estanqueidad del fluido. Los tipos principales de bombas de diafragma son: De mando mecánico. De mando hidráulico. Bombas/ Desplazamiento +/ Alternativas/ Membrana 8

9 Bombas rotativas Son bombas volumétricas rotativas: Bombas de engranajes externos Bombas de engranajes internos Bombas gerotor Bombas de engranajes helicoidales Bombas de paletas Bombas de pistones axiales Bombas de pistones radiales Bombas peristálticas Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas Bomba de engranajes externos Una bomba de engranajes transporta el caudal entre los dientes de dos piñones acoplados. Uno de los piñones es el motor, accionado mediante un eje pasante, mientras el otro es conducido y su eje se apoya en las placas laterales de la bomba. La impulsión se produce cuando los dientes de ambos piñones se encuentran del lado de la lumbrera de salida. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Engranajes externos 9

10 Entre sus características destacan: Son sólo de desplazamiento fijo. Presentan un buen margen de velocidades. Permiten el montaje múltiple de varias bombas en un mismo eje. Es poco sensible a la contaminación ió pero ruidosa. Su mantenimiento es bajo y normalmente supone el cambio de la bomba por otra. Es compacta, ligera y de bajo coste. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Engranajes externos Bomba de engranajes internos Como las bombas de engranajes externos, estas bombas disponen de dos piñones pero que ahora engranan internamente. El engranaje interno tiene uno o dos dientes menos que el externo por norma general. Entre los orificios de entrada y salida se sitúa una pieza con forma de semiluna que ayuda a mantener el engrane y a conducir el fluido. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Engranajes internos 10

11 Entre sus características están: Son sólo de desplazamiento fijo. Presentan un buen margen de velocidad. Como las de engranajes externos, permiten su montaje múltiple. Es bastante t silenciosa i y poco sensible a la contaminación. Es de bajo mantenimiento. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Engranajes internos Bomba gerotor Las bombas gerotor utilizan un único eje motriz junto a dos rotores de perfil trocoidal. El rotor interno es el motriz y tiene un diente menos que el externo. Ambos rotores generan al girar un volumen que se desplaza y fuerza al aceite a pasar desde la lumbrera de entrada a la de salida a través de la placa de lumbreras. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Gerotor 11

12 Ventajas: Sólo necesitan de un eje para funcionar, y no dos como las de engranajes externos. Es de tamaño reducido. Es bastante silenciosa. Permiten el montaje múltiple de varias bombas en un mismo eje. Desventajas: de desplazamiento fijo es bastante sensible a la contaminación del fluido por lo que acostumbran a presentar problemas de estanqueidad por desgaste. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Gerotor Bomba de engranajes helicoidales (o de husillo, o de tornillo) Las bombas de engranajes helicoidales desplazan el caudal de forma axial mediante dos o tres tornillos. La estanqueidad de estas bombas no están buena como en el resto de las bombas de engranajes debido a las particularidades del engrane, que se sabe tiene lugar mediante un único punto de contacto que se desliza axialmente. Esto las hace muy silenciosas pero limita su uso a aplicaciones de presión baja o media. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Engranajes helicoidales 12

13 Bomba de paletas En las bombas de paletas un rotor gira de forma excéntrica en un estator, de forma que unas paletas se deslizan en el interior de unas ranuras. Las paletas se mantienen en contacto con el estator mediante: el efecto de la fuerza centrífuga muelles aceite a presión Las bombas de paletas pueden ser de desplazamiento fijo y variable. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Paletas Entre sus características están: Proporcionan un arranque suave. Permiten montajes de más de una bomba en un mismo eje. Es silenciosa y de bajo coste. Su mantenimiento es sencillo y suele consistir en la sustitución del bloque de paletas. Pueden ser de desplazamiento fijo o variable según modelos Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Paletas 13

14 Bomba de paletas compensadas Las bombas de paletas compensadas presentan simetría de presiones entorno al rotor. Esto se consigue duplicando los orificios de impulsión y aspiración. Las dos cámaras de bombeo están separadas 180 de forma que se anulan los esfuerzos que, de otro modo, se transmitirían lateralmente al eje y a los cojinetes de la bomba. Esta disposición hace que sólo puedan ser de desplazamiento constante. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Paletas compensadas Bomba de pistones axiales en línea Estas bombas usan pistones en movimiento alternativo, pero que giran alrededor de un eje motriz. Se utiliza un barrilete para contener los pistones que se apoyan mediante unos pies sobre un plato inclinado. Los pistones salen y entran en su receptáculo a la vez que pasan por los orificios de la placa de distribución. Cada pistón aspira e impulsa un volumen de aceite por vuelta de barrilete. Pueden ser, por tanto, de desplazamiento variable. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones axiales en línea 14

15 Destacan por: Rendimiento general elevado. Pueden ser reversibles. Son compactas pero ruidosas. Son sensibles a la contaminación y a las condiciones de entrada. Son voluminosas y de coste elevado. Pueden ser de desplazamiento fijo o variable según el modelo. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones axiales en línea Bomba de pistones axiales de eje inclinado Estas bombas usan un número determinado de pistones en movimiento alternativo, pero con el barrilete girando alrededor de un eje acodado del motriz. Los pistones se unen a la brida del accionamiento mediante rótulas, y una unión universal conecta el eje motriz al eje del barrilete. La acción de bombeo es la misma que en las bombas de pistones axiales en línea. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones eje inclinado 15

16 Otras características: También pueden ser de desplazamiento variable. No pueden ser reversibles. No tienen eje pasante, por lo que no son posibles montajes múltiples. Su rendimiento i global l es alto. Son compactas. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones eje inclinado Bomba de pistones radiales Las bombas de pistones radiales disponen un número de pistones de forma radial dentro de un bloque cilíndrico. El bloque gira dentro de un anillo provocando el movimiento oscilante de los pistones que siguen el movimiento del contorno. Como el anillo y el bloque cilíndrico no son concéntricos, estas bombas pueden ser de desplazamiento variable. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones radiales 16

17 Entre sus características están: Rendimiento muy elevado. Son adecuadas para trabajo en anillo abierto y cerrado. Tienen una vida útil larga. Su ancho es menor que otras bombas del mismo caudal, lo que puede suponer una ventaja de montaje. Permiten el montaje de múltiples bombas juntas. Su coste es elevado, pero ofrecen una gran variedad de caudales y presiones de trabajo. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones radiales Bomba peristáltica En las bombas peristálticas se utiliza un conducto flexible, que puede ser el mismo por el que circula el fluido en la instalación, para generar la impulsión. Un factor decisivo del sistema peristáltico es precisamente su perfecta estanqueidad, razón que las hace idóneas en sistemas de dosificación de productos peligrosos o químicos en general. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Peristálica 17

18 Características fun uncionales Las características funcionales de las bombas de desplazamiento positivo, tanto oscilantes como rotativas, pueden describirse en términos de un número reducido de parámetros: Capacidad volumétrica Curvas características Rendimientos Nota: El nivel de presiones con el que acostumbran a trabajar este tipo de bombas en los sistemas oleohidráulicos es tan elevado, que es posible prescindir de los otros términos energéticos del balance de energía tras su comparación en magnitud. Bombas/ Desplazamiento +/ Características funcionales Capacidad volumétrica, C V La capacidad volumétrica o cilindrada de una bomba de desplazamiento positivo es el volumen de fluido que la bomba suministra por revolución. El caudal que una bomba desplaza en vacío, es decir, trabajando sin presión y sin presencia de fugas, se evalúa de la expresión: q C n 0 V donde las unidades deben ser congruentes entre sí. Por ejemplo, si las unidades de C V son cm 3 /rev y las de n son rpm, el caudal q 0 resulta ser cm 3 /min. Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ C v 18

19 Tipo de bomba Bomba de engranajes externos Bomba de engranajes internos Valores típicos de C V [cm 3 /rev] Presiones típicas, máx. y mín., p S [bar] Revoluciones típicas, n [rpm] 0, Bomba de paletas Bomba de pistones axiales en línea Bomba de pistones radiales , Valores de referencia que dependen del modelo, tamaño y fabricante. Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ C v Curva característica El funcionamiento de una bomba volumétrica puede describirse mediante curvas características. La forma más común de representación es la que muestra la diferencia de presión entre las bridas E y S, y el caudal q impulsado en un punto de operación. Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ c-c 19

20 Rendimientos El rendimiento total de una bomba de desplazamiento positivo se evalúa de la expresión: donde: TOT (p p )q S M E p S, es la presión en impulsión, en [Pa] p E, es la presión en la aspiración, en [Pa] q, es el caudal volumétrico impulsado, en [m 3 /s] M, es el par del accionamiento, en [Nm],, es la velocidad del accionamiento mecánico, en [s - 1 ] Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Rendimientos Los rendimientos volumétrico y mecánico se obtienen de la expresión anterior. Así, con C V en [m 3 /rad]: (ps p E )CV q TOT M C Rendimiento mecánico: Rendimiento volumétrico: mec C 1 V C V V V q (p p ) S M E Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Rendimientos 20

21 En unidades más prácticas, las expresiones anteriores toman la forma: TOT (p p )q 50 S E Mn mec 1 C 20 V (p p ) S M E V 10 C 3 1 V q n donde ahora: p S, es la presión en impulsión, en [bar] p E, es la presión en la aspiración, ió en [bar] q, es el caudal volumétrico impulsado, en [L/min] M, es el par del accionamiento, en [Nm] n, es la velocidad del accionamiento, en [rpm] y C V está en [cm 3 /rev]. Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Rendimientos Parámetros deselección Los parámetros principales que fundamentan la elección de una bomba oleohidráulica son: Presión máxima de trabajo. Caudal máximo desplazado, relacionado con su C V a unas revoluciones dadas, y la posibilidad de regulación en bombas de desplazamiento variable. Tipo de control e instalación. Las bombas pueden montarse en circuitos abiertos y cerrados. En estos últimos, el caudal impulsado es devuelto íntegramente a la aspiración de la bomba. b La ventaja reside en el uso de bombas b de tipo reversible, capaces de impulsar caudal en ambos sentidos. Velocidad de accionamiento máxima y el margen de operación. No todas las bombas son válidas para funcionar a bajas velocidades, por ejemplo. Bombas/ Desplazamiento +/ Selección 21

22 sigue: Tolerancia a la contaminación ambiental y sensibilidad a la contaminación del fluido (véase gráfico adjunto). Ruido. Para un mismo tipo de bomba, el ruido aumenta al aumentar la presión de trabajo y las revoluciones. Capacidad de aspiración. Coste global y vida útil estimada. Facilidad de montaje, instalación y mantenimiento. Tamaño, forma y peso. Rendimiento global. Una bomba de caudal variable, aún de rendimiento menor, puede suponer un ahorro energético. Bombas/ Desplazamiento +/ Selección Parámetros de selección PRECIO PISTONES VARIABLES ENGRANAJES INTERNOS PALETAS VARIABLES PALETAS FIJAS ENGRANAJES EXTERNOS NIVEL DE LIMPIEZA ISO 16/14 17/15 18/16 19/17 PISTONES VARIABLES PALETAS VARIABLES / / PISTONES FIJOS PALETAS FIJAS / / ENGRANAJES C V [cm 3 /rev] 20/ PRESIÓN (bar) Coste comparativo de los distintos tipos de bombas oleohidráulicas (valores de referencia). Nivel de limpieza ISO recomendado en función del tipo de bomba (valores de referencia). Bombas/ Desplazamiento +/ Selección 22

23 FIN? 23