SECCIN DE PROCESOS MTODO DE TRABAJO SELECCCION DE BOMBAS DOCUMENTO N: PI/PI1/MT-043/1.0 Edicin : 1 Revisin : 0 Fecha : Enero 2006 Fecha : Enero 2006 Funcin Nombre Firma Fecha. Preparado por Procesos J. Aguado 17.01.2006 Revisado por Procesos J. Contreras Aprobado por Jefe Seccin J. M. Hoyos Fichero: PI_PI1_MT-043 METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-043/1.0 Rev.0 / Enero 2006 SELECCIN DE BOMBAS CAMBIOS EN EL DOCUMENTO: REGISTRO DE PAGINAS APLICABLES EDICIN/RAZN DEL CAMBIO REVISIN FECHA SECCIN/PRRAFO AFECTADO OBSERVACIONES 1/0 17.01.2006 1 Edicin METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-043/1.0 Rev.0 / Enero 2006 SELECCIN DE BOMBAS INDICE 1.-INTRODUCCIN................................................................................................. 1 2.-CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS..........................................................3 2.1.-CAUDAL ................................................................................................................. 3 2.2.-PRESIN DE TRABAJO .............................................................................................3 2.3.-VIDA....................................................................................................................... 4 2.4.-CARACTERSTICAS DE RENDIMIENTO Y DE SELECCIN DE LA BOMBA.................... 4 2.4.1.-CARACTERSTICAS DE RENDIMIENTO DE LA BOMBA............................................ 4 2.5.-CAVITACIN Y CARGA DE ASPIRACIN NETA POSITIVA (NPSH)...........................6 2.6.-PRDIDAS DE ENERGA EN LAS BOMBAS.................................................................. 9 3.-CLASIFICACIN DE LAS BOMBAS..............................................................10 3.1.-BOMBAS ALTERNATIVAS O RECIPROCANTES........................................................ 12 3.1.1.-BOMBAS DE MBOLO........................................................................................ 14 3.1.2.-BOMBAS DE DIAFRAGMA .................................................................................. 17 3.2.-BOMBAS ROTATORIAS (O BOMBAS ROTATIVAS). ................................................ 19 3.2.1.-BOMBAS DE ENGRANAJES EXTERNOS............................................................... 19 3.2.2.-BOMBAS DE LBULOS ...................................................................................... 20 3.2.3.-BOMBAS DE HUSILLOS...................................................................................... 20 3.2.4.-BOMBAS DE ENGRANAJES INTERNOS................................................................23 3.2.5.-BOMBAS DE PALETAS........................................................................................ 24 3.2.6.-BOMBAS DE PISTONES ...................................................................................... 27 3.3.-BOMBAS MONTAFLUIDOS (ELEVADORES NEUMTICOS)......................................32 3.4.-BOMBAS CENTRFUGAS ........................................................................................ 33 3.4.1.-CLASIFICACIN DE BOMBAS CENTRFUGAS...................................................... 34 3.4.2.-FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRFUGA. ............................................. 38 3.4.3.-CARACTERSTICAS DE UNA BOMBA CENTRFUGAS. ........................................... 39 3.4.4.-SELLADO DE BOMBAS CENTRFUGAS. ............................................................... 42 3.4.5.-BOMBAS CENTRIFUGAS MAGNETICAS..............................................................42 3.5.-BOMBAS PERIFRICAS O REGENERATIVAS ........................................................... 42 3.6.-BOMBAS PERISTLTICAS ...................................................................................... 43 3.7.-BOMBAS ESPECIALES. BOMBAS DE INYECCIN.....................................................44 3.8.-BOMBAS DE TORNILLO SINFN............................................................................... 46 4.-SELECCIN DE BOMBAS...............................................................................47 4.1.-SELECCIN DE MATERIALES................................................................................. 49 DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA SELECCIN DE BOMBAS................................................. 53 DIMENSIONADO DE BOMBAS CENTRFUGAS ................................................................. 54 SELECCIN DE MATERIALES ............................................................................................. 55 METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 1 de 55 1.- INTRODUCCIN El objeto del presente manual es el de proporcionar unos criterios bsicos que ayuden a seleccionar las bombas ms adecuadas para una aplicacin determinada. Los aspectos constructivos, clculos en detalle y la especificacin de las bombas son objeto de otros ms manuales ms especficos. Las bombas son los equipos ms utilizados en las industrias de proceso. Existe una gran variedad de tamaos y tipos y se aplican a una infinidad de servicios. La bombas se emplean para trasegar toda clase de lquidos: agua, aceites, combustibles, cidos, lquidos alimentarios (cerveza, leche, miel, mahonesa, etc.), lquidos muy viscosos (lubricantes, pinturas, pasta dentfrica, asfaltos, polmeros, pegamentos, etc.), lquidos espesos con slidos en suspensin (pastas de papel, melazas, fangos, desperdicios, bentonita, yeso, cementos, etc.) o slidos fundidos o reblandecidos (metales, sales, etc.) Siempre que tratemos un tema de circulacin de fluidos estaremos, de alguna manera, entrando en el tema de bombas. El funcionamiento en si de una bomba es el de un transformador de energa, mecnica que puede proceder de un motor elctrico, trmico, etc., y la convierte en energa cintica, generando presin y velocidad en el fluido. A la de escoger un sistema de bombeo adecuado, los factores ms importantes a tener en cuenta son la presin de succin y la presin de descarga final, con una prdida de presin aceptable y la velocidad de flujo especificada, as como el tipo de fluido a bombear (la eficiencia de cada bomba vara segn el tipo de fluido). Adems, pueden existir exigencias espciales cuando se trate de sectores especficos como el alimentario, farmacutico, nuclear y otras industrias que ponen requisitos en la seleccin del material de la bomba. En la actualidad, el diseo de las bombas est bastante regulado y normalizado. Las normas ms comunes empleadas para el diseo y aplicacin de las bombas son: .. API (American Petroleum Institute) .. AWWA (American Waterworks Assciation). METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 2 de 55 .. NFPA (National Fire Protection Agency). .. UL (Underwriters Laboratories) Laboratorios Oficiales de las Compaas Aseguradoras. .. ASME (American Society of Mechanical Engineers) .. ANSI (American National Standard Institute) Estas normas especifican el diseo, la construccin y ensayos de detalle para la seleccin del material de la bomba, inspeccin y control de calidad, planos y otros requisitos e manejo, zonas de seguridad, procedimientos de construccin y otros datos de inters. Existe una gran cantidad de buenos libros y textos sobre bombas e hidrulica, que se pueden conocer a travs de los catlogos de libreras especializadas. Tambin hay publicaciones y manuales de vendedores de bombas que son muy tiles para aprender sobre bombas. Asimismo, en Internet puede consultarse una gran cantidad de pginas web con multitud de ejemplos y aplicaciones, con gran informacin de ilustraciones en dibujos, fotografas, animaciones e imgenes de video que pueden resultar muy instructivas. Al final del presente Mtodo de Trabajo se recoge un breve listado de referencias bibliogrficas. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 3 de 55 2.-CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS 2.1.- Caudal El caudal de una bomba esta determinado por la siguiente relacin: CAUDAL = CILINDRADA * VELOCIDAD El caudal as obtenido es llamado caudal terico, que es superior al caudal real en funcin del rendimiento volumtrico de la bomba, es decir de las fugas internas de la misma. Se define el rendimiento volumtrico como la relacin entre el caudal real y el terico: .= Q Qv real teorico Este rendimiento volumtrico oscila entre el 80 y el 99% segn el tipo de bomba, su construccin y sus tolerancias internas, y segn las condiciones especificas de velocidad, presin, viscosidad del fluido, temperatura, etc. El rendimiento total de una bomba es el producto de sus rendimientos volumtrico y mecnico: . =. .total volumetrico mecanico El rendimiento total de una bomba nueva puede oscilar entre el 50 y el 90%, valores que disminuirn con el uso y el desgaste de los elementos internos propios de la bomba. 2.2.- Presin de Trabajo Todos los fabricantes otorgan a sus bombas un valor denominado presin mxima de trabajo, algunos incluyen las presiones de rotura o la presin mxima intermitente, y otros adjuntan la grfica de presin /vida de sus bombas. Estos valores los determina el fabricante en funcin de una duracin razonable de la bomba trabajando en condiciones determinadas. El valor de la presin mxima de trabajo suele calcularse para una vida de 10.000 horas; en algunos casos se especifican tambin las presiones mximas intermitentes o puntales. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 4 de 55 2.3.- Vida La vida de una bomba viene determinada por el tiempo de trabajo desde el momento en que se instala hasta el momento en que su rendimiento volumtrico haya disminuido hasta un valor inaceptable, sin embargo este punto varia mucho en funcin de la aplicacin. As por ejemplo hay instalaciones donde el rendimiento no puede ser inferior al 90%, mientras que otras se aprovecha la bomba incluso cuando su rendimiento es inferior al 50%. La vida de una bomba tambin varia considerablemente en funcin del nivel de contaminacin del fluido con el que se esta trabajando. Vida de las bombas Presin 400 300 200 100 0 Fig. 1: Vida de las bombas en funcin de la presin 2.4.- Caractersticas de Rendimiento y de Seleccin de la Bomba 2.4.1.-Caractersticas de rendimiento de la bomba El aumento de carga real que gana un fluido a travs de una bomba se puede determinar por la siguiente ecuacin: Vida 0 5 1015202530 Miles de horas METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 5 de 55 p2 - p1 V22 -V12 ha =+ z2 - z1 +. 2g Donde 1 y 2 son las secciones de entrada y de salida de la bomba. La potencia ganada por el fluido esta dada por: Pf =. Qha y esta cantidad, expresada tradicionalmente en trminos de caballos de potencia o kilowatios se denomina fuerza o potencia hidrulica. Cuando un lquido fluye a travs de una bomba, slo parte de la energa comunicada por el eje del impulsor es transferida el fluido. Existe friccin en los cojinetes y juntas, no todo el lquido que atraviesa la bomba recibe de forma efectiva la accin del impulsor, y existe una perdida de energa importante debido a la friccin del fluido. sta prdida tiene varias componentes, incluyendo las prdidas por choque a la entrada del impulsor, la friccin por el paso del fluido a travs del espacio existente entre las palas o labes y las prdidas de alturas al salir el fluido del impulsor. El rendimiento de una bomba es bastante sensible a las condiciones bajo las cuales est operando. El rendimiento . de una bomba viene dado por: potencia sumnistrada al fluido P . Qha.= = f = potencia en el eje (al freno) Weje T. Donde el denominador representa la potencia total aplicada al eje de la bomba, que a menudo se denomina potencia al freno. T es el par ejercido por el motor sobre el eje de la bomba y . el rgimen de giro del eje en radianes por segundo. Rendimiento volumtrico El rendimiento volumtrico de la bomba es el cociente que se obtiene al dividir el caudal de liquido que comprime la bomba y el que tericamente debera comprimir, conforme a su geometra y a sus dimensiones. Dicho en otros trminos el rendimiento volumtrico expresa las fugas de liquido que hay en la bomba durante el proceso de compresin, fugas que se METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 6 de 55 deben a las holguras existentes en el interior de los componentes de la bomba. El rendimiento volumtrico es un factor de la bomba muy importante, pues a partir de l se puede analizar la capacidad de diseo y el estado de desgaste en que se encuentra una bomba. El rendimiento volumtrico se ve afectado tambin por la presin del fluido hidrulico que se transporta y tambin por la temperatura del mismo. Rendimiento mecnico El rendimiento mecnico mide las perdidas de energa mecnica que se producen en la bomba, debidas al rozamiento y a la friccin de los mecanismos internos. Es esencial evitar la friccin y el rozamiento en el interior de la bomba, de tal manera que la energa que se comunica al eje se invierta, en el mayor grado posible en aumentar la presin del liquido y no en vencer rozamientos y fricciones excesivas entre las partes mecnicas de la bomba. En trminos generales puede afirmarse que una bomba de bajo rendimiento mecnico es una bomba de desgaste acelerado, principalmente debido al rozamiento que sufren las partes en movimiento. Rendimiento total o global El rendimiento total o global es el producto de los rendimientos volumtrico y mecnico. Se llama total porque mide la eficiencia general de la bomba en su funcin de bombear liquido a presin, con el mnimo aporte de energa al eje. El rendimiento total viene expresado por el consumo de energa necesario para producir la presin hidrulica nominal del sistema. 2.5.- Cavitacin y Carga de Aspiracin Neta Positiva (NPSH) La cavitacin y la carga de aspiracin neta positiva son trminos que van asociados con la aplicacin de bombas centrfugas. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 7 de 55 Durante el funcionamiento de la bomba se establece una depresin en su lnea de aspiracin. Si el nivel del lquido a aspirar se encuentra por debajo de la bomba, la presin atmosfrica actuante sobre la superficie hace, por si sola, que el lquido suba La altura alcanzable por cada lquido es funcin de su densidad. En el caso del agua, tericamente, y salvo rozamientos, la altura mxima alcanzable podra ser de 10,33 ms. (fig. 2). Fig. 2: Mxima altura manomtrica alcanzable en una columna de agua bajo vaco. Pero todos los lquidos, dependiendo de su temperatura, poseen una presin de vapor; es decir una tendencia a cambiar al estado gaseoso. El fenmeno de la cavitacin ocurre cuando la presin del fluido en un punto de la lnea de aspiracin dado es inferior a la presin del vapor del liquido. Cuando esto ocurre, el lquido puede hervir (se forman burbujas de vapor) y este fenmeno puede provocar una reduccin de la eficiencia, as como un dao estructural de la bomba. Estas burbujas son arrastradas por el flujo y llegan a zonas dnde la presin aumenta; all se juntan bruscamente y el vapor se vuelve a condensar. En el caso del agua, teniendo en cuenta que al vaporizarse aumenta de volumen 1.700 veces, al condensarse disminuye de volumen en la misma proporcin; en los espacios vacos formados se precipita el agua que fluye a continuacin golpeando contra la superficie de los METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 8 de 55 labes, originndose presiones locales que pueden alcanzar hasta los 1.000 kg/cm2. El fenmeno, conocido como "aspiracin en vaco" o "cavitacin" se nota cuando hay uno o mas de las siguientes seales: ruido, vibracin, cada en la curva de capacidad de carga y eficiencia, con el paso del tiempo, por los daos en el impulsor por picaduras y erosin. La expresin de la carga de aspiracin neta positiva, en la bibliografa suele encontrarse normalmente referida con el trmino NPSH (acrnimo de Net Positive Suction Head), pero en los textos de ediciones hispanoamericanas aparece con frecuencia como CANP (Carga de Aspiracin Neta Positiva) o APNA (Altura Positiva Neta de Aspiracin). En una instalacin deber tratarse de averiguar cual es la presin que debe quedar en la aspiracin de la bomba para que no se produzca cavitacin. El NPSH se define como: pV 2 pss vNPSH =+ -. 2g . En realidad existen dos valores de NPSH, el primero es el NPSH requerido el cual es necesario mantener o exceder de modo que no ocurra cavitacin y se determina experimentalmente para una bomba dada; el segundo valor del NPSH es el disponible que corresponde con la presin absoluta disponible a la boca de entrada de la bomba. El valor del NPSH disponible esta dado por: ppatm vCANPD =- z1 -Shl -.. Para este calculo se utilizan normalmente presiones absolutas debido a que la presin de vapor se especifica como una presin absoluta. Con base en la ecuacin anterior se observa que a medida que aumenta la altura del impulsor de la bomba por arriba de la superficie del fluido, el NPSH disponible disminuye. Por consiguiente existe algn valor critico de Z por arriba del cual la bomba no puede operar sin que ocurra cavitacin. El NPSHd para una bomba debe ser superior al NPSHr es un orden de 0,5 m como mnimo. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 9 de 55 Tambin pueden producirse fenmenos de cavitacin por gases disueltos. La solubilidad del aire en un lquido es proporcional a la presin absoluta segn la Ley de Henry. Cuando el aire est presente en el agua a su mxima solubilidad (como sucede en todos los circuitos en contacto con la atmsfera) cualquier reduccin de la presin ser causa de la liberacin de aire. ste va ocupando espacio a expensas del agua y, por tanto, se produce una reduccin de caudal. La cavitacin por aire es menos fcil de detectar, porque no hace ruido, y afortunadamente es menos destructiva que la del vapor. 2.6.- Prdidas de energa en las bombas Las prdidas de energa en el interior de la bomba son de tres especies: .. Prdida hidrulica: debido a la friccin que experimenta el lquido al atravesar la bomba. .. Prdidas volumtricas: Debidas a las fugas que eventualmente se pueden producir al pasar el lquido a travs de la bomba. .. Prdida mecnica: debido a los frotamientos mecnicos entre las partes fijas y mviles de la bomba; por ejemplo entre pernos y cojinetes, entre pistones y cilindros, etc. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 10 de 55 3.-CLASIFICACIN DE LAS BOMBAS Existen diferentes clasificaciones de bombas que ocasionalmente puede causar cierta confusin. Para los propsitos de este manual se ha seleccionado, como ms adecuada, la proporcionada por el Hydraulic Institute de los EE.UU. (ver figura 3, tomada de Perry Manual del Ingeniero Qumico 7 ed. (4 ed. en espaol), Vol. II, Cap. 10; Ed. McGraw Hill, 2001). Fig. 3: Diagrama de Clasificacin de las Bombas METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 11 de 55 Como observacin, indicaremos que en la clasificacin recogida en la figura 3, en el conjunto de bombas cinticas o dinmicas, se indican las bombas peristlticas, mientras que en la edicin original de Perry Chemical Engineering Handbook 7th ed.; McGraw Hill, 1999 (fig. 10-24), se hace referencia a peripheral pumps (bombas perifricas). En el presente mtodo de trabajo se definirn ambos tipos de bombas. En los prrafos que siguen se pretende dar una idea general de las aplicaciones de los diferentes tipos de bombas, sin entrar en detalles. Para conocer ms de una bomba o tipo de bomba determinado se puede consultar la bibliografa especializada que se cita al final y se recomienda que se consulten especialmente los catlogos especficos de stas bombas, o tipos de bombas, de fabricantes con reconocido prestigio. Tal como se muestra en la Figura 3, las bombas se clasifican bsicamente en dos clases: de desplazamiento positivo y cinticas. Cada una de stas se subdivide a su vez en otros tipos. La diferencia entre ambas clases de bombas reside en que las primeras operan sobre el principio de desplazamiento positivo, la energa se comunica por desplazamiento del fluido mediante engranajes, pistones, etc., es decir, que bombean una determinada cantidad de fluido (sin tener en cuenta las fugas, independientemente de la altura de bombeo), existiendo una relacin directa entre el movimiento de los elementos de bombeo y la cantidad de lquido movido; mientras que, en las bombas cinticas, la energa es comunicada al fluido por un elemento rotativo que comunica velocidad al lquido y genera una presin, dependiendo de1 caudal y de la resistencia al movimiento en la lnea de descarga. En la Tabla I se comparan las principales caractersticas de estos tipos de bombas. Las bombas positivas tienen la ventaja de que para poder trabajar no necesitan "cebarse, es decir, no es necesario llenar previamente el tubo de succin y el cuerpo de la bomba para que sta pueda iniciar su funcionamiento, tal como acontece en las bombas centrfugas. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 12 de 55 Tabla I. Caractersticas principales de las mquinas volumtricas y rotodinmicas Bombas dinmicas o cinticas 1. Suministran un caudal fluctuante (se abre una cavidad, el fluido entra, la cavidad se cierra y desplaza el fluido hacia la salida) 2. No son sensibles a variaciones de viscosidad 3. Suministran caudales moderados 4. Suministran presiones altas 5. Su margen de caudal es muy estrecho 1. El flujo es ms continuo 2. Son muy sensibles a variaciones de viscosidad 3. Suministran caudales altos 4. Suministran presiones bajas y moderadas 5. Su margen de caudal es muy amplio De los distintos tipos existentes de bombas, los ms utilizados son: .. Bombas alternativas (o reciprocantes). .. Bombas rotativas. .. Bombas centrfugas. Las bombas centrfugas suponen ms del 90% del total de bombas utilizadas en la Industria Qumica. A continuacin se presenta una somera descripcin de los distintos tipos de bombas. 3.1.- Bombas Alternativas o Reciprocantes Existen tres tipos de bombas alternativas o reciprocantes: bombas de pistn, bombas de mbolo y bombas de diafragma. El general, el funcionamiento de las piezas de esas bombas es el mismo, ya que se basan en el desplazamiento del volumen de lquido que se produce cundo se introduce un elemento slido con igual volumen dentro de la cmara de lquido, bien sea un pistn, un mbolo o un diafragma circular. En su forma ms usual, una bomba alternativa consiste en un mbolo o pistn que tiene un movimiento de vaivn dentro de una cmara o cilindro. El dispositivo va equipado con vlvulas de admisin y descarga del lquido que se bombea, cuyo funcionamiento est ntimamente ligado con los movimientos del mbolo o pistn (ver figuras 4 y 5). METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 13 de 55 El funcionamiento de una bomba alternativa depende del llenado y vaciado sucesivo de receptculos con un volumen fijo, para lo cual cierta cantidad de lquido es obligada a entrar al cuerpo de la bomba en donde queda momentneamente encerrada, para despus ser forzada a salir por la tubera de descarga, (figuras 4 y 5). De lo anterior se deduce, en trminos generales, que el caudal de una bomba alternativa es directamente proporcional a su velocidad de rotacin y casi independiente de la presin de bombeo. Fig. 4: Seccin esquemtica de una bomba alternativa de pistn En las bombas de mbolo, el movimiento hacia atrs debe pararse antes de que el extremo del mbolo llegue al empaque. Entonces el movimiento del mbolo se invierte, inicindose la parte de la accin de bombeo conocida como la carrera o golpe de descarga, como se ilustra en la figura 5. Fig. 5: Seccin esquemtica de una bomba alternativa de mbolo METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 14 de 55 El juego de vlvulas permite que el lquido sea aspirado en una embolada y lanzado hacia la tubera de impulsin en la siguiente. En consecuencia, el caudal ser intermitente a menos que se instalen recipientes amortiguadores de aire o un nmero suficiente de cilindros para uniformar el flujo. Como el proceso de llenado y vaciado sucesivo de receptculos de volumen fijo requiere friccin por resbalamiento entre las paredes estacionarias del receptculo y las partes mviles, estas bombas no son apropiadas para manejar lquidos que contengan arenas o materias en suspensin. Aunque las bombas de mbolo alternativo han sido desplazadas en la mayora de los campos de aplicacin por las bombas centrfugas, mucho ms adaptables, todava se emplean ventajosamente en muchas operaciones industriales especiales. Estas bombas son relativamente de baja velocidad de rotacin, de tal manera que cuando tienen que ser movidas por motores elctricos deben intercalarse reductores de engranajes o poleas para reducir la velocidad entre el motor y la bomba. 3.1.1.-Bombas de mbolo Los elementos de una bomba alternativa, comnmente llamada de mbolo o de presin, se muestran esquemticamente en la figura 6. En ella puede verse como la manivela o cigeal Fig. 6: Esquema de funcionamiento de una bomba alternativa de pistn METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 15 de 55 gira con una velocidad uniforme, accionada por un motor y el mbolo o pistn se mueve hacia adelante y hacia atrs en el cuerpo del cilindro; en el golpe hacia afuera se hace un vaco parcial detrs del mbolo, lo que permite que con la presin atmosfrica exterior sobre la superficie se haga subir el agua adentro del tubo de succin, la cual, pasando por la vlvula de succin llena el cilindro; en el golpe hacia adentro, la vlvula de succin se cierre y el agua es presionada para abrir la vlvula de descarga y salir hacia la tubera de impulsin. Entre las bombas de mbolo, o pistn, existen bsicamente dos tipos de bombas alternativas: las de accin directa, movidas por vapor y las bombas de potencia (o bombas de energa). Bombas de accin directa (o bombas de vapor) En este tipo de bomba, una gua o varilla comn conecta el pistn de bombeo de lquido con otro pistn accionado con vapor. Existen diversos tipos de bombas de accin directa, las simples o simplex (donde el bombeo se realiza por una sola cmara) y dobles o duplex (con doble cmara por pistn) que permiten reducir los intervalos entre pulsaciones, ofreciendo un caudal ms amortiguado. (Vase esquema de funcionamiento de la figura 7). Fig. 7. Bomba alternativa de doble efecto (duplex) Las bombas de accin directa horizontales simples y duplex, han sido por mucho tiempo muy usadas para diferentes servicios, incluyendo alimentacin de calderas en presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite y agua, etc. Se caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y capacidad. Al igual que todas las bombas alternativas, las unidades de accin directa tienen un flujo de descarga pulsante. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 16 de 55 Bomba de Energa (o Bomba de Potencia) Una bomba de potencia es una mquina alternativa de velocidad constante, par motor constante y capacidad casi constante, cuyos mbolos o pistones se mueven por medio de un cigeal, a travs de una fuente motriz externa, y pueden llegar a una presin de miles de atmsferas. La capacidad de la bomba vara con el nmero de mbolos o pistones. En general, mientras mayor sea el nmero, menor es la variacin en capacidad, a un nmero dado de rpm. La bomba se disea para una velocidad, presin, capacidad y potencia especficas. El pistn de lquido puede desarrollar una presin elevada cuando se cierra la vlvula de descarga. Por esta razn es comn el proporcionar una vlvula de alivio para descarga, con objeto de proteger la bomba y su tubera. Las bombas de accin directa se detienen cuando la fuerza total en el pistn del agua iguala a la del pistn de vapor; las bombas de potencia desarrollan una presin muy elevada antes de detenerse. Esta es varias veces la presin de descarga normal de las bombas de potencia. Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presin y tienen algunos usos en la alimentacin de calderas, bombeo en lneas de tuberas, procesos de obtencin de petrleos y aplicaciones similares. Las bombas se construyen en versiones tanto verticales como horizontales. Las bombas horizontales de pistn llegan hasta los 1.500 kW y las de construccin vertical hasta los 1.100 kW. Pueden tener de tres a nueve mbolos, de accin simple o doble. Los mbolos son aplicables a bombas con presiones desde 1.000 hasta 30.000 lbf/in2 (o psi), rango que equivale desde 70 hasta 2.100 kg/cm2. Las bombas de potencia en los primeros diseos eran generalmente movidas por vapor. En el presente, sin embargo, es mas comn el movimiento por motor elctrico o de combustin interna debido a que este sistema da una instalacin mas econmica y compacta, y requiere menos mantenimiento. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 17 de 55 Bombas de Descarga Variable. En determinados casos se hace necesaria una bomba cuyo caudal pueda variarse sin cambiar su velocidad de rotacin. En dicha bomba (indicada en la figura 8), los pistones o mbolos estn articulados a un anillo que se mantiene en contacto con una especie de disco o platillo, que puede inclinarse de modo que modifican la longitud de carrera de los mbolos. Fig. 8. Esquema del mecanismo de una bomba de potencia de carrera variable 3.1.2.-Bombas de diafragma Este tipo de bombas alternativas estn provistas de un diafragma flexible en vez de un mbolo o pistn, fabricado de metal, caucho o un material flexible, lo que permite eliminar la friccin y las fugas en el punto donde el mbolo atraviesa la caja de empaque. Esta es una ventaja importante en el caso de tener que manejar lquidos peligrosos. Un esquema del funcionamiento de esta bomba se muestra en la figura 9. Las bombas de diafragma combina un diafragma accionado por un pistn y generalmente se usa solo para capacidades pequeas. Los diafragmas pueden construirse se muchos materiales Un diafragma de material flexible no metlico puede soportar mejor la accin corrosiva o erosiva que las partes metlicas de algunas bombas alternativas. Encuentran mltiples aplicaciones para la dosificacin de lquidos. Estas bombas pueden dar presiones de ms de 70 kg/cm2 (1.000 lbf/in2). METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 18 de 55 Fig. 9. Esquema del funcionamiento de una bomba de diafragma Bombas de diafragma, de accionamiento neumtico Este tipo de bombas no precisan de otra fuente de potencia ms que del aire comprimido de la lnea de servicio de la propia planta. Son bombas muy utilizadas en la industria; debido a su baja velocidad y grandes vlvulas, estas bombas se usan para todo tipo de caudales de lquidos, ya sea lquidos claros o conteniendo slidos. En la figura 10 puede verse un modelo de esta bomba y su esquema de funcionamiento. Fig. 10. Bomba de doble diafragma. Esquema de funcionamiento y modelo de bomba METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 19 de 55 Estas bombas resultan apropiadas para el bombeo de pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones cidas y alcalinas, as como mezclas de agua con slidos que pueden ocasionar erosin. Son autoaspirantes, aptas para productos qumicos, y aceptan viscosidades superiores a 5.000 cP. 3.2.- Bombas Rotatorias (o Bombas Rotativas). En las bombas rotatorias el desplazamiento del lquido tiene lugar debido a la rotacin de uno o ms dispositivos que se encuentran en el interior del cuerpo de la bomba. Para este tipo de bombas la seleccin de materiales es un aspecto crtico, ya que deben ser resistentes a la corrosin, compatibles cuando se produce el deslizamiento de unas partes sobre otras y capaces de presentar una resistencia a la abrasin aceptable. Normalmente, este tipo de bombas se utiliza para pequeos caudales y lquidos viscosos. Existe una gran variedad de modelos. 3.2.1.-Bombas de Engranajes Externos Una bomba de engranajes produce caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno de ellos es accionado por el eje de la bomba (motriz), y este hace girar al otro (libre). Las cmaras de bombeo de estas bombas esta formadas por los dientes de los engranajes, por el cuerpo de la bomba y por las placas laterales (tambin llamadas placas de presin o de desgaste). Fig. 11. Bomba de engranajes externos METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 20 de 55 Las bombas de engranajes no estn equilibradas hidrulicamente debido a que la alta presin en el orificio de salida impone una carga no equilibrada sobre los engranajes y cojinetes. En condiciones ptimas estas bombas pueden llegar a dar un 93% de rendimiento volumtrico y pueden trabajar a presiones de hasta 3600 psi (248,18 bar) (24818 kPa) . Son sin lugar a dudas las bombas ms ruidosas del mercado. Por ello no se emplean en aplicaciones fijas e interiores, donde su nivel sonoro puede perjudicar a los operarios que las trabajan. 3.2.2.-Bombas de Lbulos Son bombas rotativas de funcionamiento similar a las de engranajes externos, pero tiene un desplazamiento mayor debido a que cada uno de los dos engranajes tiene slo tres dientes mucho ms anchos y ms redondeados que los de una bomba de engranajes externos. Esto hace que esta bomba sea ms adecuada para utilizarla con fluidos ms sensibles al cizalle, lo mismo que para fluidos con gases o partculas suspendidas. Este tipo de bomba tiene una capacidad de presin relativamente baja y tiende a dar un caudal ms pulstil. Fig. 12. Bomba de Lbulos. Esquema de funcionamiento Ofrecen un mayor desplazamiento, pero su coste es mayor y sus prestaciones de presin y velocidad son inferiores a las de las bombas de engranajes. 3.2.3.-Bombas de Husillos Tambin llamadas de tornillos; son bombas de engranajes de caudal axial. Hay tres tipos de bombas de husillos, segn tengan uno, dos o tres husillos. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 21 de 55 En la bomba de un solo husillo un rotor en forma de espiral gira excntricamente en el interior de un estator. La interferencia entre ambos permite el bombeo de todo tipo de fluidos de las ms diversas viscosidades. Fig. 13. Principio de funcionamiento y corte seccional de una bomba de husillo excntrico (simple husillo) Estas bombas funcionan libres de pulsaciones o turbulencias sin vlvulas y mecanismos de alto desgaste. Los caudales alcanzados por estas bombas van desde prcticamente los 0 l/h hasta ms de 250 m3/h. La seccin de entrada y salida del estator es siempre igual en rea resultando esto en un bombeo parejo y constante que es proporcional al nmero de rpm, lo que las hace eficientes como dosificadoras. La bomba de doble husillo consiste en dos rotores paralelos que se entrelazan al girar en una carcasa mecanizada con tolerancias muy ajustadas. Los huecos internos de la bomba estn diseados de tal manera que el lquido que ingresa es dividido hacia las dos partes ms distantes de los husillos en donde los mismos comienzan con su accin de bombeo / traslado. La porcin del lquido que ingresa a la bomba por la izquierda es trasladada axialmente de izquierda hasta el centro de la bomba. La porcin del lquido que ingresa a la bomba por la derecha es trasladada axialmente de derecha hasta el centro de la bomba. En el centro, las dos partes se unen de nuevo y son transportadas hacia la boca de descarga. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 22 de 55 Fig. 14. Esquema seccional y disposicin de tornillos en una bomba de doble husillo La bomba de triple husillo consiste en un rotor central, que es el motriz, y dos rotores locos que se entrelazan con el primero. Tambin aqu los rotores giran en el interior de una carcasa mecanizada con tolerancias muy ajustadas. Fig. 15. Esquema seccional de un bomba de triple husillo El caudal a travs de una bomba de husillos es axial, y va en el sentido del rotor motriz. El fluido que rodea los rotores en la zona de aspiracin es atrapado a medida que stos giran; este fluido es empujado uniformemente, con el giro de los rotores, a lo largo del eje, y se ve forzado a salir por el otro extremo. Es muy importante tener en cuenta que el fluido en este tipo de bombas no gira, sino que se mueve linealmente, y el rotor funciona como un tornillo sin fin que continuamente se mueve hacia adelante. Por este motivo no hay pulsaciones incluso trabajando a altas velocidades. Esta peculiaridad las hace recomendables para trabajar con fluidos sensibles a las pulsaciones o a la cizalladura (algunos fluidos oleohidrulicos sintticos y/o con alto ndice de viscosidad pueden presentar problemas de cizalladura). METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 23 de 55 La ausencia de pulsaciones, y el hecho de que no haya contacto de metal con metal, hace que estas bombas sean muy silenciosas y sus principales se encuentran en sistemas hidrulicos donde el nivel sonoro tiene que controlarse y mantenerse al mnimo posible, como por ejemplo en los submarinos. Otras aplicaciones son como bombas de gran caudal y baja presin en circuitos de prellenado de grandes prensas. 3.2.4.-Bombas de Engranajes Internos. Estn compuestas por dos engranajes, externo e interno. Tienen un menor desgaste por la reducida relacin de velocidad existente y se usan normalmente para bombear de lquidos de naturaleza lubricante; por tanto la bomba de engranajes internos se lubrica con el propio lquido bombeado, mientras que las de engranajes externos necesitan ser lubricadas con aceite. Son utilizadas en caudales pequeos, y pueden ser de dos tipos: semiluna y gerotor. Bombas de Semiluna. En estas bombas entre los dos engranajes hay una pieza de separacin en forma de media luna, situada entre los orificios de entrada y salida, donde la holgura es mxima. La estanqueidad se consigue entre el extremo de los dientes y la semiluna; posteriormente en el orificio de salida, los dientes se entrelazan, reducen el volumen y fuerzan el fluido a salir. Estas bombas se emplean actualmente para modelos de dos etapas para presiones superiores a 280 bar. Fig. 16. Esquema seccional de un bomba de semiluna METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 24 de 55 Bombas Gerotor Consiste en un par de engranajes que estn siempre en contacto. El rotor interno arrastra al externo que a su vez tiene un diente ms, girando en la misma direccin. Fig. 17. Bomba gerotor El fluido entra a la cmara donde los dientes se separan y es expulsado cuando se entrelazan de nuevo. 3.2.5.-Bombas de paletas Este tipo de bombas se clasifica en: .. Deslizantes .. Giratorias .. Flexibles .. Oscilantes En cuanto a la distribucin de presin en la mquina, pueden ser equilibradas o no equilibradas (tambin se refieren como compensadas o no compensadas), segn la geometra de la misma. Estas bombas ofrecen en general mejores prestaciones que las bombas de engranajes a un coste relativamente bajo. En la figura 18 se muestra una mquina de paletas rgidas deslizantes. El rotor va dispuesto en forma excntrica respecto a la superficie interior del estator que es cilndrica, debido a lo METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 25 de 55 cual, las paletas, durante la rotacin del rotor, realizan movimientos alternativos o de vaivn respecto al rotor. Bajo la accin de la fuerza centrfuga, las paletas se aprietan con sus extremos libres a la superficie interior del estator y deslizan por ste, al tiempo que los extremos interiores de dichas paletas se desplazan sobre el eje de giro. Las cmaras de bombeo se generan entre las paletas, el rotor y el anillo. Fig. 18. Bomba de paletas deslizantes Fig. 19. Esquemas de bombas de paletas: a) paletas deslizantes, b) paletas giratorias, c) paletas oscilantes (o basculantes) y d) paletas flexibles METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 26 de 55 Durante la rotacin, a medida que aumenta el espacio comprendido entre las paletas, el rotor y el anillo, se crea un vaco que hace que entre el fluido por el orificio de aspiracin. Cuando se reduce el espacio, se ve forzado a salir. La estanqueidad se consigue entre el conjunto paletas-rotor y las placas laterales, as como al ajustar el vrtice de las paletas y el anillo. En la figura 19 se muestran esquemas de los otros tipos de mquinas de paletas. Los problemas constructivos de estas mquinas estn relacionados con la estanqueidad del espacio entre las paletas y la carcasa exterior, y por los discos laterales. Tambin estn sometidas a grandes esfuerzos radiales. Bombas de Paletas No Compensadas Aqu el alojamiento es circular y dispone de un solo orificio de aspiracin y otro de presin. Tienen las cmaras opuestas y generan cargas laterales sobre el eje motriz. Pueden ser de caudal fijo o variable, normalmente usadas a presiones inferiores a 175 bar. Bombas de Paletas Compensadas Slo existen para caudales fijos, se diferencian en que su anillo es elptico, lo que permite utilizar dos conjuntos de orificios de aspiracin y de impulsin. En estas bombas se anulan los esfuerzos laterales, puesto que las dos cmaras estn separadas 180 grados lo que hace que las fuerzas laterales se equilibren. Entrada Salida Entrada Salida Paleta Paleta Rotor Eje Fig. 20. Esquema de funcionamiento de una bomba de paletas compensadas METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 27 de 55 Bombas de Paletas Fijas No se utilizan en sistemas hidrulicos por su pequea cilindrada y por ser ruidosas. Tienen el rotor elptico, anillo circular y paletas fijas internamente. 3.2.6.-Bombas de Pistones Son unidades rotativas, que disponen de conjuntos pistn-cilindro. Parte del mecanismo gira alrededor de un eje motor que crea un movimiento oscilante del pistn, haciendo que este aspira el fluido hacia el interior del cilindro en la carrera de expansin y expulsarlo en la carrera de compresin. La clasificacin general de este tipo de mquinas se muestra en el siguiente esquema: Un slo pistn (slo generadoras) Maquinas de pistones Pistones en lnea (slo generadoras) Pistones radiales Varios pistones De eje rectoAxiales Con eje inclinado Bombas de Pistones en Lnea o Pistones Oscilantes Las bombas de pistones en lnea (figura 21) tienen un funcionamiento y una disposicin geomtrica similar a los pistones del motor de combustin de un coche, con la diferencia funcional de que en stos no hay explosin del combustible, nicamente, el incremento de presin. Al igual que un motor de explosin, los pistones se mueven en un sentido por el esfuerzo transmitido por un cigeal, una excentricidad del eje o un plato. La diferencia entre estas comparaciones es que lo que en el motor de explosin es el eje de salida, en la bomba es el eje primario por el que recibe la energa; y los pistones del motor son los que en la bomba generaran la presin y el caudal. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 28 de 55 Fig. 21. Esquema de una bomba de pistones en lnea Estas bombas tienen como ventajas: ofrecen un sistema de estanqueidad mucho mejor entre la entrada y la salida, adems que en estas bombas la lubricacin de las partes mviles puede hacerse con un fluido distinto al bombeado. Son muy robustas y adecuadas para presiones y caudales altos. Su rendimiento volumtrico es alto. Una caracterstica importante de las bombas de un solo pistn y las de pistones en lnea es su no reversibilidad, es decir, no pueden trabajar como motores. Bombas de Pistones Radiales En la figura 22 se muestran esquemas de bombas de pistones radiales, y su principio de funcionamiento. En estas bombas los pistones estn ubicados radialmente en un bloque cilndrico que gira con una cierta excentricidad respecto a otra carcasa cilndrica. A medida que el bloque gira, el pistn sigue la superficie interna del anillo. La estanqueidad se obtiene gracias a la fuerza centrfuga y a la presin del aceite. Presentan un buen rendimiento volumtrico. La aspiracin y la impulsin se realizan a travs de lumbreras. Pueden modificar su cilindrada a travs de la modificacin de la excentricidad del bloque cilndrico. Pueden ser reversibles y trabajar como motores. Los esfuerzos radiales son menores que en las mquinas de engranajes, pues las superficies de los pistones son pequeas. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 29 de 55 Fig. 22. Bombas rotativas de pistones radiales Bombas De Pistones Axiales Fig. 23. Bombas de pistones axiales Los pistones en estas bombas oscilan axialmente, es decir paralelos al eje as que el movimiento rotativo del eje motriz se convierte en un movimiento axial oscilante de los pistones. Suelen utilizar varios pistones y vlvulas de retencin. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 30 de 55 Bombas de Pistones Axiales en Lnea Tiene como diseo ms sencillo el de barrilete de cilindros que gira accionado por eje motriz. Los pistones en los orificios del barrilete se conectan al plato inclinado y de una anillo de retroceso. A medida que el barrilete gira, los pies de los pistones siguen apoyados al plato, haciendo que se muevan linealmente respecto al eje. Los orificios en la placa de distribucin permiten que los pistones pasen por el orificio de entrada cuando empiezan a salir de sus alojamientos y por la salida cuando entran al alojamiento de nuevo. En la figura 24 se muestra el esquemas de una mquina de pistones axiales con eje recto. Fig. 24. Esquema de una bomba de pistones axiales de eje recto Bombas De Pistones Axiales Con Placa Oscilante La diferencia entre esta bomba y la axial en lnea es que los pistones son estticos y lo que gira es la placa inclinada. Gira la placa y produce el desplazamiento de los pistones, lo que permite que los pistones aspiren y expulsen el fluido (ver figura 23). METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 31 de 55 Bombas de Pistones Axiales en ngulo Estn compuestas por un eje motriz, el barrilete de cilindros y una placa de vlvulas, encarada esta ltima con los orificios de los cilindros del barrilete. El eje motriz est en ngulo con relacin al eje del barrilete. La placa de vlvulas tiene orificios dispuestos de forma que la aspiracin est abierta a los orificios de los cilindros en la zona de revolucin. Su orificio de salida est encarado a los orificios de los pistones en la zona en la que los pistones se acercan a la placa de vlvulas, haciendo que en el giro de la bomba los pistones succionen fluido hacia el interior de los cilindros, y lo expulsen por la cmara de salida. Fig. 25. Esquema de una bombas de pistones axiales de eje inclinado En la figura 25 se muestra el esquema de una mquina de pistones axiales con eje inclinado. En stas, un bloque cilndrico accionado externamente, en el cual se hallan los huecos cilndricos, forma un ngulo respecto al eje de giro, lo que posibilita variar la cilindrada. La conexin entre el bloque mvil y las partes fijas se realiza mediante superficies esfricas. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 32 de 55 Disponen de cmaras de aspiracin e impulsin, por lo que pueden trabajar como motor. Las mquinas de pistones son las ms compactas del mercado y, en el caso de las de pistones radiales y axiales con eje inclinado, se trata de mquinas con cilindrada variable. Dicha variacin se consigue variando la excentricidad y el ngulo de inclinacin del eje (), respectivamente. Las ventajas en cuanto a ser ms compactas y con mayores rendimientos (menos fugas volumtricas) hacen que tambin sean las ms caras, tanto respecto a su coste inicial como en cuanto a su mantenimiento (reposicin de cilindros daados, etc.). 3.3.- Bombas Montafluidos (Elevadores Neumticos) Adems de las bombas de tipo mecnico existen otros dispositivos para desplazar lquidos que emplean un segundo fluido. En el esquema de la figura 3 (tomada de Perry, Manual del Ingeniero Qumico 7 ed.), entre los tipos de bombas de desplazamiento positivo, aparece indicada la Bomba Montafluidos, que corresponde al nombre asignado como traduccin del tipo de bomba Blow Cover que aparece recogido en el esquema del Hydraulic Institute de los EE.UU. en su versin original. Para este sistema de bombeo se han usado muchos nombres; entre ellos, como ms extendido, el de elevador neumtico o eyector neumtico, ya que utiliza aire o un gas comprimido como elemento de impulsin del lquido. El mecanismo consiste en introducir aire o gas a presin en el seno del lquido, cerca del fondo del pozo, consiguindose una mezcla de gas-Fig. 26. Esquema simplificado de unlquido, menos densa que el lquido slo, elevador neumtico con aire comprimido METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 33 de 55 que facilita la elevacin de la mezcla desde el interior del pozo. No se trata realmente de una bomba, ya que no se presuriza el lquido a bombear, pero su costo es muy barato ya que prcticamente se reduce a disponer de un compresor de aire o gas. En la figura 26 puede verse un esquema de este dispositivo. Una aplicacin importante del principio de elevacin de lquidos con gases se encuentra en la extraccin de pozos petrolferos. Otra aplicacin de este sistema es la bomba monta cidos o depsito impulsor que consiste en un recipiente que puede llenarse con una carga del lquido que se va a bombear. El recipiente dispone de una conexin de carga y otra de salida que se conecta a la tubera o depsito donde se pretende bombear el lquido, adems de una tercera para el aire o gas comprimido, tal como se muestra en la figura 27. Fig. 25. Esquema de una bomba monta cidos o eyector neumtico 3.4.- Bombas Centrfugas La bomba centrfuga es, con diferencia, el dispositivo ms utilizado en la industria qumica. Su campo de utilizacin abarca desde los ms simples abastecimientos de agua hasta el transporte de hormign o pulpas. Estas bombas se comercializan con una amplia variedad de tamaos, con capacidades comprendidas entre 0,5 m3/h y 2.000 m3/h (2 gal/min y 100.000 gal/min), y para alturas de descarga (presiones) comprendidas entre unos pocos metros y, aproximadamente, 48 MPa (480 kg/cm2) (7000 lbf/in2). Para una aplicacin dada, el tamao y tipo ms adecuados slo pueden determinarse mediante un estudio ingenieril del problema. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 34 de 55 El rendimiento de las de mayor tamao puede llegar al 90%. Las bombas centrfugas son el tipo ms corriente de bombas dinmicas o cinticas, y se denominan as porque la presin que crean es ampliamente atribuible a la accin centrfuga. Este tipo de bomba tiene un elemento rotativo, el rodete, que comunica velocidad al lquido y genera presin. La carcasa exterior, el eje y el motor completan la unidad de bombeo. 3.4.1.-Clasificacin de Bombas Centrfugas Existen diferentes esquemas de clasificacin para las bombas centrfuga, entre las cuales se tienen las siguientes: a) Segn el tipo de impulsor: .. Abierto .. Cerrado .. Semiabierto b) Segn el tipo de succin: .. Simple succin .. Doble succin c) Segn el nmero de impulsores empleados .. Bombas de una fase .. Bombas de mltiples fases d) Segn la forma de la carcasa .. Circular .. De voluta .. De difusor o turbina e) Segn la trayectoria del lquido en el impulsor .. Flujo Radial .. Flujo Mixto .. Flujo Axial METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 35 de 55 En la figura 26 se recoge un esquema de clasificacin de bombas centrfugas, adaptado de la clasificacin del Hydraulic Institute de los EE.UU. con la inclusin de modelos (tomada de Fluide Design Inc (www.fluidedesign.com), enero 2006). Una bomba centrfuga, en su forma ms simple, consiste en un impulsor o rodete que gira en el interior de una carcasa. El impulsor consta de un cierto nmero de paletas o labes, abiertos o cerrados, montadas sobre un eje que se proyecta al exterior de la carcasa. Los impulsores pueden tener ejes de rotacin horizontales o verticales, para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar. Habitualmente, los impulsores protegidos o de tipo cerrado suelen ser ms eficaces, mientras que los impulsores de tipo abierto o semiabierto se emplean para lquidos viscosos o que contengan materiales slidos en suspensin, as como tambin en muchas de las bombas de pequea capacidad empleadas para servicios generales. De acuerdo con el tipo de succin, los impulsores, adems, pueden ser de succin simple o de succin doble; en el primer caso el acceso del lquido tiene lugar por un solo lado del rodete y en el segundo caso tiene lugar por los dos lados. La carcasa o cuerpo de la bomba consiste en una cmara dentro de la cual gira el impulsor o rodete, con una entrada y una salida para el lquido que se bombea. La forma ms simple est constituida por una carcasa circular, que consiste en una cmara anular dentro de la cual est situado el impulsor; pero ste tipo de carcasas presenta altas prdidas de energa y raras veces se utilizan. Las carcasas de voluta o en espiral tienen forma de espiral con un rea de seccin transversal creciente, a medida que va acercndose a la salida. Las volutas convierten, de manera eficaz, la energa cintica que el impulsor comunica al lquido en energa de presin. El tercer tipo de carcasa se emplea en las bombas tipo turbina o bombas tipo difusor. En estas bombas se interponen difusores o tabiques deflectores entre el impulsor y la cmara de la carcasa. En este tipo de bombas, cuando estn bien diseadas, las prdidas producidas son mnimas y la eficacia de la bomba puede mejorarse para un amplio intervalo de capacidades. Este tipo de construccin se utiliza con frecuencia en bombas de etapas mltiples de alta presin. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 36 de 55 Fig. 26: Clasificacin de bombas centrfugas METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 37 de 55 a) b) c) Fig. 27: Secciones de bombas: a) flujo radial (doble succin), b) flujo mixto y c) flujo axial En la bomba de flujo radial, el lquido entra al impulsor por el centro y se impulsa radialmente hacia la periferia. En este tipo de bomba la energa transmitida al fluido es solo de accin centrfuga. El rodete consiste en cierto nmero de labes curvados en direccin contraria al movimiento y colocados entre dos discos metlicos. Esta bomba se presta para necesidades de cargas elevadas y capacidad moderada. Normalmente, esto se consigue construyendo la carcasa en forma de espiral, con lo que la seccin del flujo en la periferia del rodete va aumentando gradualmente. Para caudales grandes se usa el rodete de doble aspiracin, que es equivalente a dos rodetes de simple aspiracin ensamblados dorso con dorso; esta disposicin permite doblar la capacidad sin aumentar el dimetro del rodete. La bomba de flujo axial, llamada tambin bomba de hlice, desarrolla la mayor parte de su carga por la accin propulsora o impelente de las aspas sobre el lquido. Tiene un impulsor de entrada simple con el flujo entrando axialmente y descargando casi axialmente en una caja gua. Esta bomba no encuadra en la definicin de una verdadera bomba centrfuga, sin embargo se aproxima ms al tipo centrfugo que a cualquier otro tipo bsico. Esta bomba es ms conveniente para elevar grandes caudales con pequea altura de elevacin. En las bombas de flujo mixto o combinado, tambin denominadas bombas de turbina, la carga es desarrollada en parte por la fuerza centrfuga y en parte por el impulso de los labes sobre el lquido. Este tipo de bomba tiene un impulsor de entrada simple, con el flujo METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 38 de 55 entrando axialmente y descargando en direcciones axial y radial, usualmente en el interior de una carcasa de tipo voluta. Esta bomba es ms apropiada para usarla con cargas moderadas y grandes caudales. El montaje es generalmente horizontal, ya que as se facilita el acceso para el entretenimiento. Sin embargo, debido a la limitacin del espacio, algunas unidades de gran tamao se montan verticalmente. Para que la bomba centrfuga est en disposicin de funcionar satisfactoriamente, tanto la tubera de aspiracin como la bomba misma, han de estar llenas de agua. Si la bomba se encuentra a un nivel inferior a la del agua del pozo de aspiracin, siempre se cumplir esta condicin, pero en los dems casos hay que expulsar el aire de la tubera de aspiracin y de la bomba y reemplazarlo por agua; esta operacin se denomina cebado. El mero giro del rodete, an a alta velocidad, resulta completamente insuficiente para efectuar el cebado y slo se conseguir recalentar los cojinetes. Los dos mtodos principales de cebado exigen una vlvula de retencin en la proximidad de la base del tubo de aspiracin, o en las unidades mayores, la ayuda de una bomba de vaco. Las ventajas primordiales de una bomba centrfuga son su sencillez, el bajo costo inicial, el flujo uniforme (sin pulsos), el pequeo espacio necesario para su instalacin, los bajos costos de mantenimiento, el funcionamiento silencioso y su capacidad de adaptacin para su empleo con una unidad motriz de motor elctrico o de turbina. 3.4.2.-Funcionamiento de una bomba centrfuga. El funcionamiento de una bomba centrfuga puede observarse, de manera esquemtica, en la figura 28. A partir de una fuente externa, se le comunica potencia al eje A, que hace girar el impulsor B, situado en el interior de la carcasa estacionaria C. Los labes del impulsor, al girar, producen una disminucin de la presin en la entrada u ojo del impulsor. Esto hace que el lquido circule hacia el impulsor desde la tubera de succin (1). Este lquido se ve obligado a salir, en la direccin de los labes, a velocidades tangenciales crecientes. La carga METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 39 de 55 de velocidad que adquiere el lquido, al abandonar los extremos de los labes, se convierte en carga de presin al viajar a travs de la cmara espiral y, por ltimo, el lquido llega a la zona de descarga (2). A BB C Fig. 28. Esquema de una bomba centrfuga simple Los dos mtodos principales de cebado exigen una vlvula de retencin en la proximidad de la base del tubo de aspiracin, o en las unidades mayores, la ayuda de una bomba de vaco. Para un conocimiento ms en detalle acerca del funcionamiento, elementos caractersticos, tipologa, seleccin y clculo de bombas centrfugas, consultar el Anexo II: Dimensionado de Bombas Centrfugas del Manual de Bombas y Vlvulas de KSB (un importante fabricante alemn de bombas, con representacin a nivel mundial) que es una gua clara y suficientemente concisa sobre el tema aunque, por supuesto, orientada a los productos de dicho fabricante. 3.4.3.-Caractersticas de una bomba centrfugas. El caudal que suministra una bomba centrfuga depende de la resistencia que ofrezca la tubera de trasiego. A mayor prdida de carga corresponde un menor caudal. En la figura 29 se muestra una tpica curva caracterstica de una bomba centrfuga donde se refleja la mxima altura manomtrica a que puede ser impulsado un determinado caudal de lquido. Es importante sealar que para una determinada velocidad constante del rodete, la bomba funcionar a lo largo de esta curva y no en otros. Por ejemplo, para un caudal de 45,5 m3/h METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 40 de 55 (200 gal/min), la bomba generar una carga de 26,5 m (87 ft) y si se hace aumentar la carga hasta 30,48 m (100 ft), el caudal de descarga se reducir a 27,25 m3/h (120 gal/min). Fig. 29. Curva caracterstica de una bomba centrfuga que trabaja a velocidad constante No es posible reducir la capacidad a 27,25 m3/h (120 gal/min) con una carga de 26,5 m (87 ft) a menos que se trabaje con mayor velocidad del rodete, algo que puede conseguirse si la bomba dispone de impulsor con velocidad variable, como puede verse en a figura 30. Fig. 30. Curva caracterstica de una bomba centrfuga a varias velocidades de rotacin METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 41 de 55 Cambiando el tamao del rodete tambin se puede aumentar o disminuir el caudal de bombeo para una determinada prdida de carga; de hecho, es normal que los fabricantes de bombas centrfugas ofrezcan diferentes tamaos de rodete para una voluta determinada1. Para permitir la seleccin rpida de una bomba centrfuga, los fabricantes suelen ofrecer grficos con los detalles ms caractersticos de funcionamiento para todo un abanico de bombas de diferentes tamaos, basados en los tamaos de los conductos de impulsin y de descarga y del tipo de impulsor (ver figura 31). Fig. 31. Curva de funcionamiento para varias bombas de rodete abierto 1 Para ms detalles ver el Anexo II. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 42 de 55 3.4.4.-Sellado de bombas centrfugas. Las bombas centrfugas disponen de ejes rotatorios que conectan el motor con el impulsor o rodete. El paso del eje por la carcasa requiere practicar un orificio por donde pueden producirse fugas de lquido. Para minimizar o evitar estos problemas, que en determinados casos (lquidos inflamables, txicos, corrosivos, etc.) es de extrema importancia, se dispone de un sistema de sellado, que puede consistir desde simples cajas de empaquetaduras a sellos mecnicos con aporte de un lquido secundario compatible para limpiar el sello. Para un conocimiento ms detallado de los sistemas de sellado de bombas centrfugas se recomienda las lecturas tcnicas de Perry (Manual del Ingeniero Qumico 7 ed. (4 ed. en espaol), Vol. II, Cap. 10; Ed. McGraw Hill, 2001), as como la Norma API 682 (American Petroleum Institute : Sistemas de Sellado de Ejes para Bombas Centrfugas y Rotativas) donde se especifican materiales, requerimientos y ensayos de calidad para sellos mecnicos y sistemas a ser usados en refineras y plantas petroqumicas. 3.4.5.-Bombas Centrifugas Magneticas Este tipo de bombas, son centrfugas en cuanto al sistema de propulsin de los lquidos, y magnticas en cuanto al sistema de conexin entre motor y rodete. Con el sistema de traccin magntica no se necesitan pasos de ejes ni cierres o empaquetaduras, para establecer la conexin motor/rodete, ya que de ello se encargan imanes permanentes actuando a travs de la pared hermtica del cuerpo de la bomba. Esto permite una estanqueidad total que evita derrames y hace a estas bombas idneas para el trasiego de lquidos agresivos, peligrosos y voltiles, pero dnde las impurezas no sean abrasivas o magnticas. Este tipo de bombas puede manejar caudales de hasta 100 m3/h con alturas de 80 m.c.l. 3.5.- Bombas Perifricas o Regenerativas Las bombas perifricas (Peripheral pumps) son tambin conocidas como bombas regenerativas o bombas de turbina. Se denominan as, por la forma del impulsor que presenta METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 43 de 55 muchos pequeos alabes fresados a ambos lados de la periferia, y tambin se mecanizan canales similares en las superficies coincidentes con la carcasa, empleando una combinacin de impulso mecnico y fuerza centrfuga para producir altas cargas (5400 ft o 1645 m) con bajos caudales (150 gpm o 34 m3/h). Al entrar, el fluido se dirige a los pasos radiales del impulsor y sigue una trayectoria en espiral en torno a la periferia, pasando alternativamente del impulsor a la carcasa y recibiendo impulsos sucesivos conforme avanza. Estas bombas son muy tiles cuando se trata de bombear pequeos caudales de lquidos de baja viscosidad a presiones ms altas que las que normalmente aportan las bombas centrfugas. Presentan mayores eficiencias que las bombas centrfugas y requieren un menor MPS. Tambin pueden manejar lquidos con un contenido en gases hasta un 20%. Fig. 32. Esquema y partes de una bomba perifrica o regenerativa de turbina 3.6.- Bombas Peristlticas Este es un tipo de bombas de desplazamiento no positivo cuyo principio de funcionamiento est basado en el sistema de la digestin, llamado sistema peristltico, consistente en la contraccin y siguiente liberacin de un msculo alrededor de un tubo que as mueve el contenido. En el caso de la bomba un tubo elastomrico es pisado continuamente a lo largo de toda su longitud por rodillos adecuadamente situados, entre una pasada y otra del rodillo METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 44 de 55 impulsor, el tubo recupera su dimetro primitivo provocando un vaco idneo para aspirar el producto a vehicular. Esta bomba presenta ciertas particularidades, como la ausencia de contacto del producto a bombear con el elemento impulsor, la posibilidad de reversibilidad del flujo sin variacin de caudal, capacidad para operar en seco y la ausencia de vlvulas y cierres. Esto hace que sea ideal para el manejo de lquidos corrosivos o abrasivos. Se utilizan para aplicaciones en que se requieran grandes dosificaciones de hasta 4,5 m3/h, o presiones de trabajo hasta 15 bar (220 PSI) y pueden bombear productos con cuerpos slidos en suspensin hasta el 40% del dimetro interno. Fig. 33. Esquema del funcionamiento de una bomba peristltica 3.7.- Bombas especiales. Bombas de inyeccin. Las bombas de inyeccin, o tipo jet, son una clase de dispositivos para manejo de lquidos que utilizan la cantidad de movimiento de un fluido para desplazar a otro fluido. Los dos tipos de bombas de inyeccin de inters para los ingenieros qumicos son los eyectores y los inyectores. El eyector tambin denominado sifn o eductor, se disea para su aplicacin en operaciones en las que la carga con la que se realiza el bombeo es baja y menor que la carga del fluido utilizado para bombear; mientras que el inyector es un tipo especial METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 45 de 55 de bomba de inyeccin que funciona por medio de vapor y se utiliza para la alimentacin de calderas y otros servicios similares, en donde el flujo que se bombea se descarga a una cmara que se encuentra a la misma presin que el vapor utilizado para hacer funcionar el inyector. Fig. 34. Esquema del funcionamiento de un ejector simple En la Figura 34 se muestra un eyector de diseo simple. El fluido de bombeo entra por la tobera situada a la izquierda y pasa a la tobera venturi situada en el centro, para salir por el orificio de descarga, situado a la derecha. Al entrar a la tobera venturi, el fluido desarrolla una succin que hace que se capte parte del fluido de la cmara de succin en la corriente y que salga, junto con el fluido impulsor, a travs del orificio de descarga. En el caso de una bomba eyectora, o eyector, la eficacia es de un bajo porcentaje, siendo la carga desarrollada, excepto en algunos casos especiales, tambin baja. El dispositivo tiene la desventaja de que diluye el fluido bombeado, al mezclarlo con el fluido de bombeo. Sin embargo, en los inyectores de vapor para alimentacin de calderas y equipos similares, donde se recupera el calor del vapor, la eficacia se acerca al 100 por 100. El sifn o eyector simple se utiliza con frecuencia, a pesar de su baja eficacia, para transferir lquidos de un depsito a otro, para elevar cidos, lcalis o lquidos que contengan slidos de naturaleza abrasiva y para vaciar sumideros. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 46 de 55 3.8.- Bombas de tornillo sinfn. Este tipo de bombas suele ser ms conocido como tornillo de Arqumedes. Bsicamente es un tornillo girando en una canaleta con su eje a pendientes de hasta 45. La sumergencia del lquido en la entrada controla la salida de la bomba, por lo que la unidad puede moverse con un motor de velocidad constante para flujos variables. Las limitaciones estructurales, sin embargo, controlan la altura mxima a casi 7,5 m. Para bombeos ms altos, las bombas de tornillo pueden utilizarse en etapas. Las bombas de tornillo de Arqumedes, implementadas en Holanda desde hace varios siglos, se usan para bombeo en este pas porque pueden pasar slidos bastante grandes. Fig. 35. Bombas de tornillo sinfn (tronillo de Arqumedes) METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 47 de 55 4.-SELECCIN DE BOMBAS Al escoger bombas para cualquier servicio, es necesario tener conocimiento del fluido que se va a manejar, las presiones de succin y descarga, la prdida de carga de la instalacin, y, en la mayor parte de los casos, la temperatura, la viscosidad, la presin de vapor y la densidad relativa del lquido. En la industria qumica, la tarea de seleccionar una bomba, a menudo viene a complicarse, debido a la presencia de slidos en suspensin en el seno del lquido y a los posibles fenmenos de corrosin del propio lquido, lo que exige el empleo de materiales especiales de construccin. Intervalo de operacin. Debido a la gran variedad de tipos de bombas existentes y a la cantidad de factores que pueden determinar la seleccin de cualquiera, lo primero que debe hacerse es eliminar todas aquellas que no ofrezcan posibilidades razonables de aplicacin. Puesto a que el intervalo de operacin resulta siempre una consideracin importante, la Figura 36 puede ser de gran ayuda2. Materiales de construccin de las bombas. En la industria qumica, la seleccin de los materiales de construccin de bombas est en consonancia con las consideraciones realizadas para los factores de corrosin, erosin, seguridad del personal y contaminacin del lquido. La experiencia de los fabricantes es muy valiosa en la seleccin de materiales. En el apartado correspondiente a materiales puede obtenerse mas informacin al respecto. Presencia de slidos. Cuando se requiere una bomba para manejar lquidos que contienen slidos en suspensin, deben de considerarse una serie de requisitos muy particulares. Adems de un buen comportamiento hidrulico y del empleo adecuado de los materiales de construccin seleccionados, tambin resulta bsico considerar las dimensiones de los pasos internos de la bomba. As, deber evitarse la formacin de zonas y puntos muertos donde 2 En el mejor de los casos, los lmites que se muestran para cada tipo de bomba son aproximados, ya que pueden presentarse aplicaciones poco usuales, en las cuales la seleccin adecuada estar en contradiccin con la predicha en la grfica. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, la Figura 36 resultar til para limitar la evaluacin a dos o tres tipos de bombas. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 48 de 55 puedan acumularse los slidos; los huecos o cavidades internas muy pequeas son indeseables, debido a los posibles fenmenos de abrasin; y deber tenerse en cuenta la necesidad de conexiones para la limpieza del equipo tanto en uso continuo como en uso intermitente. Las instalaciones que requieren manejo de slidos en suspensin, con un mnimo de rotura o degradacin de los mismos, como es el caso de las bombas de alimentacin a filtros prensas, exigen una atencin especial, tanto si se utilizan de bombas de desplazamiento positivo como en los casos en los que se requieran bombas centrfugas. Fig. 36. Rangos normales de operacin de bombas de proceso Para lneas continuas: utilizar ordenadas de la izquierda, escala de cargas. Para lneas de trazos: utilizar ordenadas de la derecha, escala de presiones. Para convertir gal/min en m3/h, multiplicar por 0,2271. Para convertir ft en metros, multiplicar por 0,3048. Para convertir lbf/in2 en kPa, multiplicar por 6,895. Actualmente, la adaptabilidad a un mantenimiento sencillo es una de las caractersticas de importancia creciente en el mbito econmico de estas instalaciones. No es prctico ni econmico utilizar bombas que requieran un mantenimiento anual de dos o tres veces el monto de la inversin original. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 49 de 55 La principal gua para seleccionar una bomba es, obviamente, la experiencia; pero no siempre se dispone de referencias donde apoyarse. Como ayuda a la seleccin de bombas, puede utilizarse el diagrama de flujo del Anexo I y tener en cuenta las siguientes recomendaciones: 1 Analizar la instalacin y la funcin de la bomba. Las propiedades y caractersticas del fluido a bombear deben de haber quedado totalmente establecidas. 2 Si se requiere una dosificacin controlada se recurrir a bombas medidoras de desplazamiento positivo. 3 En la Figura 36 se muestran las capacidades aproximadas de los distintos tipos de bombas. Si los requerimientos caen en el rea de las bombas centrfugas se considerar la viscosidad del lquido. Por encima de 500 cP se escoger una bomba de desplazamiento positivo, al igual que cuando el lquido contenga gases en proporcin > 5%. 4 Cuando se manejan lodos (slurries) con concentraciones del 3 al 5% en volumen de slidos, las bombas centrfugas no operarn a ms de 1.800 rpm. Puede requerirse una bomba especial de lodos. 4.1.- Seleccin de Materiales La seleccin de materiales de construccin es uno aspectos ms importantes a tener en cuenta a la hora de especificar una bomba. Las diferentes partes de la bomba (carcasa, rotor, vlvulas, juntas, sellos, ejes, diafragmas, etc.) deben tener la resistencia qumica y mecnica adecuada para aguantar en las condiciones de funcionamiento. Los productos que manipulan las bombas pueden ser desde soluciones acuosas y orgnicos ligeros a jarabes y melazas de gran viscosidad, desde lquidos puros a los que tienen gran proporcin de slidos, desde productos inertes a cidos agresivos. Dada la extensa variedad de caractersticas de estos medios, en la industria se emplean todos los tipos de bombas, con METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 50 de 55 ciertas preferencias en aplicaciones concretas, como el caso de las mquinas especficamente proyectadas para una utilidad determinada. La condicin principal que deben cumplir las bombas es que no sean sensibles al ataque corrosivo o abrasivo por parte del producto que se manipula. Al final de un periodo de utilizacin, la bomba puede verse obligada a cierto tiempo de inactividad, o incluso pasar a manipular un producto diferente. Es importante que la bomba se proyecte y se construya de forma que el desmontaje y la limpieza sean operaciones fciles, dado que quizs deban realizarse a diario o a intervalos regulares (segn el proceso) aparte de la facilidad de repararlas y montarlas de nuevo. Basadas en la experiencia se han establecido ciertas condiciones para los materiales. Por regla general, en los procesos de los diferentes sectores industriales (petroqumico, alimentario, papelero, nuclear, desaladoras, etc.), se dispone de especificaciones sobre seleccin de materiales. En cualquier caso, los fabricantes de bombas disponen de referencias sobre materiales para cada aplicacin concreta, por lo que resulta especialmente importante solicitarles informacin sobre unidades que ya hayan aplicado con anterioridad y con xito en aplicaciones similares. Tambin es conveniente conocer las posibilidades de aplicacin que puedan tener los materiales de nueva aparicin en el mercado. Para un mejor conocimiento acerca del comportamiento y seleccin de materiales para bombas, consltese el Anexo III donde se recoge una seleccin de tres informes al respecto: .. National Physical Laboratory (NPL): Guides to Good Practice in Corrosion Control: Pumps and Valves; U.S. DTI Pub., 2000. .. Nickel Development Institute (NiDI): Materials for saline water, desalination and oilfield brine pumps; U.S. Reference Book Series N 11 004, 2nd ed., 1995. .. McCaulou, D.R.; Jewett, D.G and Huling, S.G. Non Aqueous Phase Liquid Compatibility with Materials Used in Well Construction, Sampling and Remediation. U.S. Environmental Protection Agency (EPA): Ground Water Issue; EPA/540/S-95/503, July 1995. METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 51 de 55 BIBLIOGRAFIA KENNETH J. and Mc NAUGHTON, Bombas, Seleccin, Uso y Mantenimiento, Ed. McGraw Hill.- Mxico, 1988. KSB, Centrifugal pump design, (Manual de diseo de bombas centrfugas), Edicin 1994 MCCAULOU, D.R.; JEWETT, D.G AND HULING, S.G. Non Aqueous Phase Liquid Compatibility with Materials Used in Well Construction, Sampling and Remediation. U.S. Environmental Protection Agency (EPA): Ground Water Issue; EPA/540/S-95/503, July 1995. MUNSON B.R., YOUNG D.F., OKISHI T.H. Fundamentos de mecnica de fluidos. 1. edicin, Limusa-Wiley, Mxico 1999. NATIONAL PHYSICAL LABORATORY (NPL): Guides to Good Practice in Corrosion Control: Pumps and Valves; U.S. DTI Pub., 2000. NICKEL DEVELOPMENT INSTITUTE (NiDI): Materials for saline water, desalination and oilfield brine pumps; U.S. Reference Book Series N 11 004, 2nd ed., 1995. OATE, Esteban. Energa hidrulica, Ed. Paraninfo, Madrid 1992. PERRY, R.H AND GREEN D.W. Manual del Ingeniero Qumico 7 ed. (4 ed. en espaol), Vol. II, Cap. 10; Ed. McGraw Hill, Madrid, 2001. POTTER, M.C. y WIGGERT, D.C.: Mecnica de Fluidos. Ed. Prentice Hall. Mxico, 1998. ROCA RAVEL, F., "Oleohidrulica Bsica". Ed. Alfaomega. Barcelona 1999. SERRANO, A., "Oleohidrulica", McGraw-Hill, Barcelona 2002. ZUBICARAY VIEJO, MANUEL, Bombas / Pumps: Teora, Diseo y Aplicaciones / Theory, Design and Applications; Ed. LIMUSA S.A. de C.V., Mxico 2005. Normas: API (American Petroleum Institute) . Norma 610: Bombas Centrfugas para Servicio en Refineras. API (American Petroleum Institute) . Norma 682: Sistemas de sellado de ejes para Bombas Centrfugas y Rotativas METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 52 de 55 AWWA (American Waterworks Assciation) Norma E 101: Bombas de Turbina Verticales para Extraccin de Pozos Subterrneos. NFPA (National Fire Protection Agency). Norma 20: Bombas Centrfugas Anti-Incendios. UL (Underwriters Laboratories) Laboratorios Oficiales de las Compaas Aseguradoras: UL51, UL343, UL448, UL1081, UL1247. Internet: http://www.fluidedesign.com/ http://www.engineersedge.com/pumps/ http://www.pumps.org (Hydraulic Institute) http://www.pumpschool.com/index.htm http://www.pumpworld.com/ http://www.tecnicaoleohidraulica.com/h_02_bombas.htm http://descom.jmc.utfsm.cl/sgeywitz/ PIPING/Dimensionado%20de%20bombas.htm METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 53 de 55 Anexo I Diagrama de flujo para la seleccin de bombas CALCULAR LAS CARACTERISTICAS (H/Q) DEL SISTEMA Y EL NPSH DISPONIBLE CONSULTAR PROPIEDADES DEL LQUIDO DECIDIR LA FUNCION DE LA BOMBA SE NECESITADOSIFICACIN EXACTA? SI NOH/Q ENTRA EN EL CAMPO DE BOMBAS CENTRFUGAS? H/Q ENTRA EN ELCONSULTAR NOCAMPO DE BOMBASFIGURA 5 DE TURBINA? BOMBA DE NODESPLAZAMIENTO POSITIVO SIVISCOSIDAD < 200 cPNO SIAUTOCEBADO? SI SI PUEDE AADIRSEUNA CMARA DE CEBADO? SIVISCOSIDAD < 500 cP NO SIAUTOCEBADO? SI NO BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO NOHAY SLIDOS ENSUSPENSIN?SI NONO SICONTENIDO EN GASES EN LA ASPIRACIN < 5% EN VOLUMEN BOMBA DE TURBINA CONSIDERAR BOMBAS DE TURBINA, SI H/Q ES SATISFACTORIO AUTOCEBANTE NOCONTENIDO EN GASES EN LA ASPIRACIN < 5% EN VOLUMEN NO SIBOMBAS CENTRIFUGAS DE DISEO ESPECIAL VISCOSIDAD < 5 cP NO SI LIQUIDO CON CONTENIDO EN SOLIDOS < 3% EN VOLUMEN UTILIZAR COEFICIENTES DE CORRECCIN FIGURA 5 NO SICONSULTAR FIGURA 5 SE PUEDEN BOMBA DENOUSAR BOMBAS DESPLAZAMIENTO CENTRFUGAS?POSITIVO SI BOMBA CENTRFUGA CONSIDERAR BOMBAS DE TURBINA, SI H/Q ES SATISFACTORIO SE PUEDEN USAR BOMBAS CENTRFUGAS? NO SI H < 100 mcl ; Q < 2.000 m3/h ? H < 200 mcl ; Q < 4000 m3/h ? BOMBA SI NO CENTRIFUGA ESTANDAR SELECCIONAR BOMBA VERTICAL U HORIZONTAL ES CRTICO EL NPSH DISPONIBLE? SI NOLA BOMBA ES PARA FANGOS? SI NOUTILIZAR PREFERENTEMENTE 3.000 rpm UTILIZAR VELOCIDADES < 1.500 rpm ELEGIR MATERIAL CUALQUIER BOMBA SELECCIONAR EN CATALOGO O NORMAS PREPARAR ESPECIFICACIONES SOLICITAR OFERTAS A SUMINISTRADORES VALORACION MECNICA Y ECONMICA ESCOGER LA BOMBA MS ECONMICA Diagrama de flujo para la seleccin de bombasMETODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 54 de 55 Anexo II Dimensionado de Bombas Centrfugas METODO DE TRABAJO PI/PI1/MT-001/1.0 SELECCIN DE BOMBAS Rev. 0 / Enero 2006 Pg.: 55 de 55 Anexo III Seleccin de materiales Guides to Good Practice in Corrosion Control Pumps and Valves The National Physical Laboratory is operated on behalf of the DTI by NPL Management Limited, a wholly owned subsidiary of Serco Group plc Pumps and Valves Contents page 1.0 Introduction 2.0 General considerations 3.0 Types of corrosion 1 3.1 General corrosion 1 3.2 Localised corrosion 4 3.3 Galvanic corrosion 4 3.4 Flow effects 4 3.5 Environmental cracking 5 3.6 De-alloying 6 3.7 Wear 6 4.0 Materials of construction 5.0 Protection of external surfaces 6.0 Corrosion factors in design 7.0 Corrosion factors in use 8.0 Materials checklist 9.0 Sources of advice 10 Further information 11.0 References This is an update of a DTI publication first issued in 1982. The new version has been prepared by Dr. R. Francis of Weir Materials and Foundries under contract from NPL for the Department of Trade and Industry. Pumps and Valves 1.0 Introduction This guide describes potential corrosion problems in pumps and valves, and outlines measures that can be taken to minimise these problems. It is not intended that this guide be used to select the most appropriate pump or valve type for a specific application, but it does give indications of the applications for the major types being considered. The guide also indicates the different kinds of corrosion which may be encountered and the means of avoidance which can be considered, both for new equipment and items which have failed in service. There is a large number of pump and valve types, as well as a wide range of fluids to be handled, so that advice on design and materials selection in this guide is given in general terms. 2.0 General considerations Pumps and valves are designed or chosen primarily for their mechanical performance i.e. containment of pressure, fluid sealing and, in the case of pumps, pumping capacity. For reasons of economy manufacturers offer their products in a limited range of materials. Each of these materials is suitable for a range of common fluids, and has the advantage of being available with relatively short delivery times. However, for corrosive and/or erosive fluids the user may require special designs (e.g. of seals) and/or special materials, which increase cost and delivery times. The balance of cost versus the likelihood of failure due to corrosion must be taken into account along with the criticality of the component, i.e. what are the consequences of a failure. For example, a firewater pump is a high criticality item and materials should be chosen so that there is no safety risk. When requesting non-standard items it is important to realise that most of the wetted components in a valve or pump are cast and hence an alloy with good foundry characteristics must be selected. A compatible wrought alloy must be selected for items such as shafts and stems. Even when an alloy is available as a casting, it may not have all the properties that are required. For example, phosphor bronze (BS 1400; CT1) is sometimes used for pump impellers, but rarely for pump or valve bodies because of the difficulty in producing pressure tight castings in this alloy. If an alloy change from a standard material involves the production of wholly new patterns, the additional costs will be great, and it may be cost effective to consider an alternative alloy with similar properties which only requires minor pattern modifications. When selecting a pump or valve the user must provide the supplier with details of the composition of the fluid to be handled (including trace chemicals), the pH, the temperature, the solids content and the flow rate. Other factors which are also required for cost effective materials selection are the desired life and the criticality of the component i.e. the consequences of an unplanned shutdown. Tables 1 and 2 list the common types of pumps and valves and some of their advantages and disadvantages in relation to corrosion and allied problems. Nowadays most valve types can be made fire safe and are available in a range of common materials. Stem glands will require maintenance on all types of valves. 3.0 Types of corrosion 3.1 General corrosion This involves more or less uniform metal dissolution over all the wetted surfaces. Although this is less serious than localised corrosion, a number of problems may occur. One is the reduction of tolerances on items such as wear rings in pumps, which will result in a loss of pumping efficiency. Also, the continued release of metal into the fluid may cause unacceptable levels of contamination. There are many tables and charts giving data on general corrosion rates of numerous alloys in a wide range of fluids. However, care is needed in applying these as much data have been generated under quiescent or slow flow conditions, and high velocities can greatly increase dissolution rates with some materials. one Pumps and Valves Table 1. Guide to pump types TYPE DESIGN PROBLEMS ADVANTAGES Centrifugal Horizontal Vertical: in line Vertical: submerged Canned: a glandless pump. Electrical windings separated from fluid by a thin can of corrosion resistant alloy. Not usually self-priming and can lose prime if air/vapour is present. Poor performance on viscous liquids. As above plus: Special motor; bottom bearing (if fitted) becomes contaminated. Smaller mounting area (footprint). As above plus: Bottom bearing exposed to liquids. Liquid drain down whilst stationary leads to air/liquid interface within the pump, and also probably on the pump or pipework external surface. No use for liquids containing solids because of close tolerances between stator and rotor; carbon bearings easily destroyed. Available in wide range of materials. Continuous-flow, free from large pressure pulsation. Has no seals and isolates liquids from motor. Rotary Gear: two meshing gears within closed casing. Lobe: two meshing lobes. Vane: offset fined impeller. Screw: helical screw in elastomeric stator. Rotary pumps are usually not suitable for handling liquids containing solids. Available in most metallic materials. Small amounts of corrosion or wear reduce efficiency. Generally mild steel or carbon. Limited materials available for stator. Suitable for all fluids including viscous fluids. Positive displacement type pumps suitable for metering. Reciprocating Diaphragm: the diaphragm is forced into reciprocating motion by mechanical or hydraulic linkage. Limited materials available for diaphragms and check valves. Pulsed flow, which can be smoothed by the addition of dampers. Vulnerability of check-valve materials to process fluids. Poor with solids, but designs exist that allow slurries to be pumped Suitable for various speed/ stroke. Can handle viscous liquids. Capable of high heads. Fluids isolated from pumping mechanism. two Pumps and Valves Table 2 Guide to valve types TYPE FUNCTION DESIGN ADVANTAGES DISADVANTAGES Gate (wedge) On/off throttling possible. A straight-through valve incorporating a risingwedge gate. Widely used on water duties but can be used for control of process fluids. Cheap in large sizes and generally made of cast iron. When used for throttling may suffer erosion and where solids are carried at high velocities, seat and wedge may be hardfaced, (e.g. with Stellite 6 or tungsten carbide). The groove in the base is liable to blockages. Can be "overshut" causing seizure. Gate (parallel) On/off throttling possible. More sophisticated version of wedge. Used mainly for steam duties at high pressure. As above. Plug On/off. A straight-through valve incorporating a rotating plug. Lubricated plug for critical service under pressure. Non-lubricated plug (sleeved plug). PTFE sleeve for frictionless operation. Can be fully PTFE-lined and hence have very good chemical resistance. Lubricant can cause contamination of products and limit the temperature of operation. Not widely used because of level of maintenance required. Pressure/temperature conditions limited by lining material. Liable to seizure in service. Globe Throttling (needs suitable materials). Widely used for regulating flow consisting of a rising plug from the seat. Wide range of sizes and pressure/ temperatures. Not available as a lined valve. Ball On/off. Straight-through flow. Widely used for corrosive conditions and range of pressure/ temperature. Can be made fire-safe. Poor for throttling. Not suitable for fluids containing solids which damage seats. Needle Throttling. Fine regulation of flow. Suitable for high pressures. Available only in smaller sizes. Butterfly On/off. Can be used for throttling if suitably designed. Very simple design consisting of a flat disc rotating into a seat. Available in a wide range of materials including many linings and coatings. Suitable for large flows of gases, liquids and slurries. Relatively cheap, particularly in larger sizes. Slim Design. Diaphragm Throttling can be used for on/ off duties. Glandless type of valve incorporating a flexible diaphragm and available either as a weir type or as full bore. Widely used for corrosive fluids, but good where leakage must be avoided. Limited on pressure and temperature by diaphragm materials. Not recommended for mains insulation. Check Prevention of backflow. Automatically prevents backflow. Wide pressure/temperature range. Not reliable on critical duties. Safety Safety and protection. "Pop-open" valve for gases and vapours (steam). Reseats. Only for gases: prevents excess pressure. Relief Safety and protection. Proportional life valve for liquids. Reseats. Only for liquids: prevents excess pressure. Bursting disc Safety and protection. Protection of plant systems where very rapid pressure rises may occur. Instantaneous unrestricted relief. Wide range of materials available. Not-reclosing and expendable. Subject to corrosion and creep if hot, causing premature failure. three Pumps and Valves 3.2 Localised corrosion There are t