Bombas volumétricas - SH 2. Bom Bomba bass Bombas Bomba s de desplaza desplazamie miento nto positivo. positi o Tipos. ipos. Car Caract acteríst erístiicas. Selecció elección n. Salvador de las Heras Bomb Bo mbas as hi hidrá dráuli ulicas cas 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. 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 Salvador de las Heras 1 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Cla Cl asific sificac aciión Las máquinas q pueden p clasificarse según: g 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 Salvador de las Heras Según g el principio p p de funcionamiento,, las bombas pueden p 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, 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 Salvador de las Heras 2 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Gener Gen era alidade lidadess Las bombas hidráulicas más usuales son las bombas de desplazamiento positivo y las rotodinámicas o turbomáquinas turbomáquinas.. Bombas/ Generalidades Salvador de las Heras 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. 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. En las bombas de desplazamiento positivo iti ell fl fluido id circula i l a ttravés é d de la bomba en forma de paquetes discretos separados unos de otros. Los orificios de entrada y salida de la b b están bomba tá comunicados i d hidráulicamente por un canal abierto de forma que el fluido puede recircular en el interior de la bomba. No pueden trabajar contra válvula de impulsión cerrada. Necesitan de una válvula de seguridad. Pueden trabajar contra válvula de impulsión cerrada. Bombas/ Generalidades Salvador de las Heras 3 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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 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 es proporcional a las revoluciones del accionamiento dentro del intervalo de velocidades f ilit d por ell ffabricante. facilitado bi t El caudal de impulsión es proporcional a las revoluciones del accionamiento en sistemas hid á li hidráulicos d de altura lt estática táti nula. l Tienen diversos elementos móviles para transportar el fluido de la entrada a la salida. Estos elementos pueden ser válvulas, ruedas dentadas, paletas, pistones, etc. 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 . Bombas/ Generalidades Salvador de las Heras 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. L b Las bombas b d de d desplazamiento l i t positivo son autoaspirantes. No obstante, su capacidad de aspiración, definida en términos de altura de aspiración, depende del tipo de bomba. P norma generall son d Por de capacidad id d de aspiración limitada y muy inferior a las bombas de desplazamiento positivo. Han de ser cebadas para que puedan impulsar caudal. No obstante, existen tipologías de bombas rotodinámicas autocebantes. Bombas/ Generalidades Salvador de las Heras 4 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Bala alanc nce e energé energéti tico co El p planteamiento de la ecuación de la energía g 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: 1 1 G h v 2 gz h v 2 gz W Q 2 2 S E 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 Salvador de las Heras 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 Salvador de las Heras 5 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Energí Ene rgía a mecán mecánic ica a 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: p pE 1 2 W w S (v S v E2 ) g ( zS zE ) V G G 2 válida para fluido incompresible. Bombas/ Balance energético/ Energía mecánica Salvador de las Heras Altu Alt ura man manom omét étric rica a 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, HB, es: HB p pE 1 W UTIL 1 1 2 (eS eE ) S (v S v E2 ) ( zS zE ) 2g g g G g válida para fluido incompresible. Bombas/ Balance energético/ Altura manométrica Salvador de las Heras 6 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Bombas de desplazamiento + Una bomba hidráulica es de desplazamiento p 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. finita. Bombas/ Desplazamiento + Salvador de las Heras Tipo ipos Según el principio de funcionamiento: Bombas oscilantes oscilantes,, alternativas o recíprocas 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, rotativas, en las que un mecanismo en rotación se encarga de transportar el fluido de la aspiración a la impulsión. Bombas/ Desplazamiento +/ Tipos Salvador de las Heras 7 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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 biela--manivela. Bombas/ Desplazamiento +/ Alternativas/ Émbolo Salvador de las Heras 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 Salvador de las Heras 8 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Bombas ro rotat tativa ivass Son bombas volumétricas rotativas: Bombas de engranajes externos Bombas de engranajes internos Bombas gerotor Bombas de engranajes helicoidales Bombas de paletas p Bombas de pistones axiales Bombas de pistones radiales Bombas peristálticas Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas Salvador de las Heras 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 d id y su eje j 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 Salvador de las Heras 9 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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 t i ió pero ruidosa. id 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 Salvador de las Heras 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 Salvador de las Heras 10 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Entre sus características están: Son sólo de desplazamiento fijo. Presentan un buen margen de velocidad. Como las de engranajes externos, permiten su montaje múltiple. E b Es bastante t t silenciosa il i y poco sensible a la contaminación. Es de bajo mantenimiento. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Engranajes internos Salvador de las Heras 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 Salvador de las Heras 11 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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. j 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 Salvador de las Heras 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 b tiene ti lugar l 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 Salvador de las Heras 12 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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 í – muelles – aceite a presión Las bombas de paletas pueden ser de desplazamiento fijo y variable. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Paletas Salvador de las Heras 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 Salvador de las Heras 13 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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° 180° de forma que se anulan los esfuerzos q 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 Salvador de las Heras Bomba de pistones axiales en línea Estas bombas usan pistones en movimiento alternativo 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 Salvador de las Heras 14 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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 Salvador de las Heras 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, 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 Salvador de las Heras 15 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Otras características: También pueden ser de desplazamiento variable. No pueden ser reversibles. No tienen eje pasante, por lo que no son posibles montajes múltiples. S rendimiento Su di i t global l b l es alto. Son compactas. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones eje inclinado Salvador de las Heras 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. contorno Como el anillo y el bloque cilíndrico no son concéntricos, estas bombas pueden ser de desplazamiento variable. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Pistones radiales Salvador de las Heras 16 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras 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. 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 Salvador de las Heras Bomba peristáltica En las bombas peristálticas se utiliza un conducto flexible, 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, estanqueidad, razón que las hace idóneas en sistemas de dosificación de productos peligrosos o químicos en general. Bombas/ Desplazamiento +/ Rotativas/ Peristálica Salvador de las Heras 17 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Caracterís aracterística ticass fun funccionale ionaless 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 Salvador de las Heras Capacidad volumétrica, CV 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: q0 CV n donde las unidades deben ser congruentes entre sí. Por ejemplo, si las unidades de CV son cm3/rev y las de n son rpm, el caudal q0 resulta ser cm3/min. Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Cv Salvador de las Heras 18 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Valores típicos de CV [cm3/rev] Presiones típicas, máx típicas máx. y mín., pS [bar] Revoluciones típicas, n [rpm] Bomba de engranajes externos 0,15200 50300 3503000 Bomba de engranajes internos 3125 50210 9003500 Bomba de paletas 6200 6 200 50225 50 225 02500 0 2500 Bomba de pistones axiales en línea 10250 100400 03500 Bomba de pistones radiales 0,4100 50700 03500 Tipo de bomba Valores de referencia que dependen del modelo, tamaño y fabricante. Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Cv Salvador de las Heras 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 Salvador de las Heras 19 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras Rend endimient mientos os El rendimiento total de una bomba de desplazamiento positivo se evalúa de la expresión: TOT donde: ( pS pE )q M pS, es la presión en impulsión, impulsión en [Pa] pE, es la presión en la aspiración, en [Pa] q, es el caudal volumétrico impulsado, en [m3/s] M, es el par del accionamiento, en [Nm] , es la velocidad del accionamiento mecánico, en [s-1] Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Rendimientos Salvador de las Heras Los rendimientos volumétrico y mecánico se obtienen de la expresión anterior. Así, con CV en [m3/rad]: ( p pE )CV q TOT S M CV mec CV Rendimiento mecánico: á Rendimiento volumétrico: V ( pS pE ) M 1 q CV Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Rendimientos Salvador de las Heras 20 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras En unidades más p prácticas,, las expresiones p anteriores toman la forma: TOT 1 q ( p pE ) 1 50 ( pS pE )q V 103 CV S mec CV n M 20 Mn donde ahora: pS, es la presión en impulsión, en [bar] pE, es la l presión ió en la l aspiración, i ió en [bar] [b ] 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 CV está en [cm3/rev]. Bombas/ Desplazamiento +/ Características/ Rendimientos Salvador de las Heras Parámetros arámetros d de e selecci elección ón Los parámetros principales que fundamentan la elección de una bomba oleohidráulica son: Presión máxima de trabajo. Caudal máximo desplazado, relacionado con su CV 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 b b La bomba. L ventaja t j reside id en ell uso de d bombas b b de d tipo ti 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 Salvador de las Heras 21 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras …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 Ruido. aumentar la presión de trabajo y las revoluciones. Capacidad de aspiración. aspiración. Coste global y vida útil estimada. Facilidad de montaje, instalación y mantenimiento. Tamaño,, forma y peso. Tamaño peso. Rendimiento global. Una bomba de caudal variable, aún de rendimiento menor, puede suponer un ahorro energético. Bombas/ Desplazamiento +/ Selección Salvador de las Heras Parámet arámetros ros de ssele elección cción 16/14 PISTONES VARIABLES ENGRANAJES INTERNOS NIVEL DE LIMPIEZA ISO PALETAS VARIABLES PRECIO PALETAS FIJAS ENGRANAJES EXTERNOS 17/15 18/16 19/17 OS LES FIJ IAB ES VAR ES ON IST TO N /P PIS S LE IAB AR SV EESS TA AJJ NA LE AN PA RA GR N NG E E // A ASS FFIIJJ A ASS EETT ALL PPA 20/18 0 50 100 150 200 250 300 100 CV [cm3/rev] Coste comparativo de los distintos tipos de bombas oleohidráulicas (valores de referencia). 200 300 PRESIÓN (bar) Nivel de limpieza ISO recomendado en función del tipo de bomba (valores de referencia). Bombas/ Desplazamiento +/ Selección Salvador de las Heras 22 Bombas volumétricas - SH Salvador de las Heras FIN ? Salvador de las Heras 23