Probablemente nunca pienses en la maquinaria moviendo fluido hasta que algo se rompe. Entonces te das cuenta de que sin bombas la civilización se detiene. Son dispositivos simples en concepto: gastar energía, mover líquido. ¿Pero la ingeniería necesaria para hacerlo de manera eficiente? Se trata de una historia compleja y cruda de la minería, la física y la ciencia de los materiales.
Las primeras versiones eran de fuerza bruta. Piense en las norias persas y romanas. O el tornillo de Arquímedes. Lo giras y el agua sube. Simple. Pero a medida que las operaciones mineras de la Edad Media se profundizaron, las simples ruedas no fueron suficientes. Necesitaban bombas de succión.
Georgius Agricola los describió en De re Metallica en 1556. El principio se basa en la presión atmosférica. Levante un pistón. Crea un vacío parcial. La presión del aire exterior empuja el agua hacia el interior del cilindro. Es un buen truco. Hasta que llegues a un límite estricto.
La presión atmosférica sólo puede empujar el agua hacia arriba unos 34 pies (10 metros). ¿Intentar aspirar agua de un pozo de mina más profundo que eso? No funcionará. El vacío falla. Entonces los ingenieros inventaron la bomba de fuerza. Ahora, la carrera descendente del pistón fuerza físicamente la salida del agua a través de una válvula lateral. La altura depende de la fuerza que apliques, no sólo de la presión del aire.
Clasificación de bombas
¿Cómo categorizamos este caos? Todo se reduce a la transferencia de energía. Hay tres formas básicas de mover fluidos:
- Desplazamiento volumétrico. Mover un trozo de fluido del punto A al punto B.
- Energía cinética. Hacer girar el fluido rápidamente o golpearlo con un impulso.
- Fuerza electromagnética. Uso de campos magnéticos para empujar fluidos conductores. Este requiere que el fluido sea un buen conductor eléctrico.
Si mueve gas, probablemente esté hablando de compresores, sopladores o ventiladores. Si está desplazando fluido mecánicamente, es una bomba de desplazamiento positivo. Si está utilizando un impulsor giratorio para agregar velocidad, es una bomba cinética.
Aquí hay una regla general. Las bombas de desplazamiento positivo manejan volúmenes bajos a alta presión. Las bombas cinéticas manejan grandes volúmenes a baja presión. Es una compensación. No se pueden tener ambas cosas sin ingeniería especializada.
Hay una trampa. Necesita una cierta cantidad de presión de entrada solo para que el fluido fluya hacia la bomba. Si esa presión es demasiado baja, se produce cavitación. Esta es la formación de espacios vacíos donde debería estar el líquido. Se forman burbujas de vapor en la línea de succión. Viajan hacia la bomba. Golpearon una región de mayor presión. Se derrumban.
¿El resultado? Ruido excesivo. Vibración. Corrosión. Erosión. La bomba se come a sí misma de adentro hacia afuera.
La eficiencia de la bomba no es estática. Depende del fluido. Los líquidos móviles como el agua se bombean de manera eficiente. ¿Líquidos viscosos como la melaza? No tanto. La viscosidad disminuye a medida que aumenta la temperatura. Es por eso que las plantas industriales suelen calentar líquidos espesos antes de bombearlos. Es un truco práctico. Caliéntalo. Fluye mejor.
Bombas de desplazamiento positivo
Estas bombas levantan un volumen determinado para cada ciclo. Son caballos de batalla confiables. Dividido en dos clases principales: alternativos y rotativos.
Los alternativos incluyen los tipos de pistón, émbolo y diafragma. Las rotativas incluyen bombas de engranajes, de lóbulos, de tornillo, de paletas y de levas.
La bomba de émbolo es el tipo común más antiguo. Consta de un cilindro. Un pistón o émbolo se mueve hacia adelante y hacia atrás. En una bomba de émbolo, el sello es estacionario. El émbolo empuja hacia el líquido. En una bomba de pistón, el sello se mueve con el pistón.
A medida que el pistón se mueve hacia afuera, aumenta el volumen en el cilindro. El fluido ingresa a través de una válvula de entrada unidireccional. A medida que avanza hacia adentro, el volumen disminuye. Picos de presión. El fluido sale por la válvula de salida.
La tasa de bombeo no es constante. Llega a cero cuando el pistón cambia de dirección. Llega a su punto máximo a mitad del trazo. Para suavizar esto, puedes usar ambos lados del pistón. Bombas de doble efecto. O puedes agregar más cilindros.
Puede variar la velocidad cambiando la velocidad alternativa del vástago del pistón. O cambiando la longitud del trazo. El pistón puede ser accionado directamente por vapor, aire comprimido o aceite hidráulico. O mediante un enlace mecánico que convierte el movimiento giratorio en movimiento alternativo.
Estas bombas son caras. Pero son duraderos. Las bombas de pistón han funcionado durante más de 100 años sin reparación ni reemplazo. Eso no es un error tipográfico. Un siglo de servicio.
Las bombas de diafragma funcionan de manera similar pero reemplazan el pistón con un diafragma flexible pulsante. Sin empaquetaduras en contacto con el fluido. Esto resuelve un problema específico. Fugas. Si bombea productos químicos tóxicos, corrosivos o costosos, no puede permitirse una fuga a través del empaque. El diafragma mantiene todo sellado en el interior.
El fluido entra y sale a través de válvulas de retención. El diafragma puede accionarse mecánicamente o mediante un fluido como aire comprimido o aceite.
Ofrecen una salida pulsante. Líquidos. Gases. Mezclas. Son útiles para líquidos que contienen partículas sólidas. Y pueden secarse durante períodos prolongados. También puede cambiar la tasa de bombeo mientras la máquina está en funcionamiento.
Cómo las bombas de engranajes externos realmente mueven el fluido
La mayoría de la gente asume que las bombas son cajas mágicas que aspiran cosas y las escupen. No lo son. Son sólo trampas mecánicas. La bomba de engranajes externos, el caballo de batalla del manejo de fluidos industriales, se basa en un truco sorprendentemente simple.
Una marcha gira. Es impulsado por un motor o motor. El otro engranaje simplemente se queda ahí y se deja empujar. Corre gratis.
Aquí es donde la física se vuelve interesante. A medida que esos dientes se alejan uno del otro, crean un vacío. Un vacío parcial. La naturaleza odia el vacío, por lo que se apresura a llenarlo. El líquido es aspirado hacia ese espacio entre los dientes y la carcasa.
Pero la trampa no permanece abierta para siempre.
Los engranajes se vuelven a engranar. Los dientes se bloquean. El líquido no tiene adónde ir excepto hacia afuera. La presión aumenta. Fuerza el líquido hacia la línea de descarga.
Piensa en la direccionalidad. Puedes invertir la rotación. Si gira los engranajes en sentido contrario, la entrada y la salida se intercambian. La bomba descarga en cualquier dirección, dependiendo completamente de en qué dirección gira el motor.
Es eficiente. Es robusto. Pero también es básico.
Un vacío parcial, creado por el desengrane de los engranajes giratorios, aspira fluido hacia la bomba.
Este mecanismo es el motivo por el que las bombas de engranajes están en todas partes. Mueven aceites espesos. Mueven combustibles. Mueven sustancias químicas que destruirían un impulsor más delicado.
La carcasa está fija. No se mueve. Los dientes se mueven en su interior. El líquido viaja de un lado a otro, atrapado en las bolsas entre los dientes y la pared. Es un bucle continuo.
No hay pulsaciones. Sin vibración. Sólo una presión constante y rítmica.
¿Por qué esto importa? Porque cuando necesitas mover algo que no quiere moverse (un lodo pesado, una grasa viscosa, un polímero espeso), necesitas un desplazamiento positivo. Necesitas empujar físicamente la molécula hacia adelante.
Las bombas de engranajes hacen exactamente eso. Atrapan el fluido. Lo sostienen. Lo tiran por el otro lado.
Simple. Brutal. Eficaz.
El diseño apenas ha cambiado en un siglo. Eso no es una señal de estancamiento. Es un signo de perfección.
O lo suficientemente cerca.
Una vez que el fluido sale del punto de malla, queda bajo presión. Presión alta. Suficiente para pasar por tuberías estrechas. Suficiente para superar la resistencia.
Puedes invertir el flujo. Puede cambiar la dirección de la descarga. Simplemente gira la rotación.
Esa es la belleza de esto. Un motor. Dos marchas. Un circuito cerrado.
Funciona hasta que deja de funcionar. El desgaste eventualmente afloja las tolerancias. El espacio entre los dientes y la carcasa crece. La eficiencia cae. La bomba todavía mueve fluido, pero menos.
Pero ese es un problema para mañana.
Por ahora, los engranajes giran. Se forma el vacío. El fluido se mueve.
Y ni siquiera tenemos que pensar en ello.
Mecánica y limitaciones del engranaje interno
Mire la bomba de engranajes interna en la Figura 2. Es una maquinaria inteligente. El engranaje impulsado es un rotor con dientes cortados en su circunferencia interior. Estos dientes engranan con un engranaje loco que tiene dientes externos. El usuario está descentrado. Esta compensación crea la acción de bombeo. Una parte fija de la carcasa llamada media luna divide el flujo. Separa el engranaje loco del rotor.
Este diseño maneja bien líquidos con vapores o gases atrapados. Pero hay un problema. La bomba depende del propio líquido para lubricar las piezas móviles del interior. ¿Bombear gas puro? Los engranajes rechinan entre sí sin esa película protectora. Se desgastan rápido. Entonces, se acabaron los gases.
Para los líquidos, la producción es constante. Pulsaciones insignificantes. Si mantiene constante la velocidad del rotor, obtendrá un flujo constante. Pero el desgaste cambia el juego. La erosión y la corrosión amplían los espacios entre los engranajes. El líquido retrocede a través de estos espacios en lugar de avanzar. La eficiencia cae.
Las bombas de engranajes internos requieren que el fluido proporcione lubricación, lo que las hace inadecuadas para bombear gases.
La obstrucción es el otro enemigo. Las partículas sólidas obstruyen los espacios estrechos. No se pueden hacer funcionar estas bombas con lodos o fluidos pesados. Sin embargo, no necesitan válvulas de retención. Esta simplicidad les permite manejar líquidos muy viscosos. ¿Aceites espesos? Ningún problema.
Bombas y compresores de lóbulos
Las bombas de lóbulos parecen primas de las bombas de engranajes externos. Comparten la misma forma básica. Pero los rotores son diferentes. En lugar de engranajes, tienen lóbulos. Dos, tres o cuatro lóbulos. La diferencia clave es cómo se mueven. Ambos rotores son accionados. No están entrelazados como engranajes.
Este diseño significa más pulsación en la salida. Las bombas de engranajes externos son más suaves. Las bombas lobulares tienen un flujo más brusco. Pero se desgastan menos. Los rotores no se tocan. No hay contacto metal con metal. Esto los hace duraderos para materiales abrasivos, aunque menos eficientes en cuanto a estabilidad del flujo.
Los compresores de lóbulo utilizan este mismo principio. Bombean gasolina. Cada rotor tiene dos lóbulos. Mueven aire o gas donde las bombas de engranajes fallarían por falta de lubricación.
El principio de la bomba de tornillo
Las bombas de tornillo funcionan de manera diferente. Un rotor de tornillo helicoidal gira dentro de una carcasa fija. La carcasa está conformada para formar cavidades. A medida que gira el tornillo, estas cavidades se mueven desde la entrada hasta la descarga.
Cuando se forma una cavidad en la entrada, se crea un vacío parcial. Este vacío aspira líquido hacia la bomba. El líquido viaja dentro de esa cavidad progresiva. No salpica. Se mueve en línea recta.
En el extremo de descarga, la carcasa se estrecha. La cavidad se cierra. Este cierre aumenta la presión. La presión fuerza al fluido hacia la línea de salida. Es un método de desplazamiento positivo.
Las bombas de tornillo crean un flujo constante al atrapar fluido en cavidades progresivas que se mueven axialmente a través de la bomba.
Estas bombas son versátiles. Manejan líquidos con vapores. También manejan partículas sólidas. El diseño helicoidal permite que los residuos pasen sin atascarse. La salida es constante. Pulsaciones insignificantes para una velocidad de rotor determinada.
No necesitan válvulas de retención de entrada ni de salida. Esto los hace ideales para líquidos viscosos. Las sustancias espesas se deslizan fácilmente. No hay válvulas adicionales que se puedan obstruir.
Compensaciones entre costo y longevidad
Las bombas de tornillo no son baratas. ellos son
La bomba de paletas deslizantes, como se ve en la Figura 3, se basa en una disposición mecánica simple pero inteligente. El rotor se encuentra descentrado dentro de la carcasa. Las paletas rectangulares están metidas en ranuras a lo largo del borde del rotor. Cuando el motor hace girar el rotor, la fuerza centrífuga empuja las paletas hacia afuera. Presionan con fuerza contra la pared interior curvada de la carcasa fija. Esto crea un sello hermético.
A medida que el rotor gira, crea un vacío parcial en el lado de succión. El líquido entra corriendo para llenar ese vacío. Las paletas giratorias atrapan bolsas de líquido entre el rotor y la carcasa. Transportan este fluido hasta el lado de descarga. Allí el espacio se reduce. La presión aumenta. El fluido es expulsado hacia la línea de salida.
Cómo ajustar el caudal
Puede controlar la tasa de bombeo ajustando la excentricidad. Esto significa cambiar qué tan descentrado se encuentra el rotor. Muévelo y cambiarás el volumen barrido por las paletas. El diseño es autocompensante del desgaste. Las paletas se deslizan hacia adentro y hacia afuera a medida que se desgastan. Permanecen en contacto con la carcasa. La capacidad de bombeo no disminuye hasta que las paletas están muy desgastadas.
Estas bombas son robustas. Ofrecen una salida constante con pulsaciones insignificantes a cualquier velocidad determinada. No necesita válvulas de retención de entrada o salida. Eso simplifica el sistema. Manejan bien líquidos mezclados con vapores o gases. Pero fallan con los sólidos. Si su fluido tiene partículas, no use una bomba de paletas. Las paletas se atascarán o desgastarán instantáneamente.
También existen compresores de paletas, pero bombean gases, no líquidos.
El cambio a las bombas cinéticas
Las bombas cinéticas funcionan según un principio diferente. Primero imparten velocidad al fluido. Luego, convierten esa energía cinética en presión. La mayor parte de la velocidad se convierte en presión estática. Esta clase incluye bombas centrífugas y regenerativas.
Las bombas centrífugas existen desde aproximadamente 1680. Durante siglos, se utilizaron poco. ¿Por qué? La tecnología no estaba del todo ahí. Hubo que esperar hasta el siglo XX para que las bombas cinéticas se volvieran comunes. Finalmente llegaron los materiales y la precisión de fabricación necesarios para manejar altas velocidades de manera eficiente. Hoy dominan el movimiento de fluidos a gran escala.
La diferencia es fundamental. Las bombas de paletas atrapan volúmenes discretos de fluido. Las bombas cinéticas aceleran un flujo continuo. Uno es el desplazamiento positivo. El otro es dinámico. Ambos tienen su lugar. Pero si mueves agua a través de una ciudad, probablemente estés usando una bomba cinética. Si dosifica aceite en una máquina pequeña, puede utilizar una bomba de paletas.
La historia de las bombas es una historia de eficiencia. Pasamos de atrapar fluido a arrojarlo. Desde sellos mecánicos hasta palas aerodinámicas. La bomba de paletas deslizantes sigue siendo útil. Su sencillez es su fuerza. Pero la escalabilidad de la bomba cinética cambió la industria. Dejamos de construir más pequeños y más fuertes. Empezamos a construir más rápido y más grande.
Hay una razón por la que todavía usamos paletas en algunas aplicaciones. La confiabilidad importa. Pero el futuro pertenece a quienes pueden mover más fluido con menos energía. La bomba cinética hace eso. No se trata sólo de presión. Se trata de impulso. Y el impulso es difícil de superar cuando se mueven millones de galones.
La bomba centrífuga estándar
Probablemente no las note, pero las bombas de flujo radial hacen el trabajo pesado en todo, desde el suministro de agua de su hogar hasta los sistemas de enfriamiento industriales. En concreto, la bomba de voluta domina esta categoría. Es el caballo de batalla que quieres conocer.
El fluido ingresa al impulsor cerca de su centro. El impulsor gira a alta velocidad. Esto lanza el líquido hacia afuera contra la carcasa de la bomba. El resultado es un vacío parcial. Ese vacío atrae más líquido. El ciclo continúa.
Por qué ganan las bombas de voluta
Estas unidades son robustas. También son relativamente económicos de producir. Si necesita un funcionamiento silencioso y confiabilidad, esta es una buena elección. El rendimiento se mantiene estable incluso cuando la corrosión y la erosión intentan pasar factura.
La construcción es sencilla. La compacidad importa en espacios reducidos. No necesita válvulas de retención de entrada o salida. Eso simplifica la tubería. Reduce los posibles puntos de falla.
Las bombas centrífugas de voluta son robustas, silenciosas y confiables, y su rendimiento no se ve afectado en gran medida por la corrosión y la erosión.
Cuando luchan
No son perfectos. Pueden manejar líquidos con partículas sólidas. Pero introduce demasiado vapor en la mezcla. La succión se rompe. Sigue la cavitación. Eso es malo para la longevidad.
La viscosidad es otro enemigo. Estas bombas funcionan mejor con líquidos no viscosos. Bombea algo espeso. Verá que la capacidad disminuirá significativamente.
La alternativa al difusor
No todas las bombas de flujo radial utilizan una carcasa de voluta. Ahí está la bomba difusora. Se necesita un enfoque diferente después de que el fluido sale del impulsor.
El fluido pasa a través de un anillo de paletas fijas. Estas paletas difunden el líquido. Proporcionan flujo controlado. Más importante aún, convierten la carga de velocidad en carga de presión de manera más eficiente.
Se trata de eficiencia. La voluta es simple. El difusor está optimizado. Elija en función de lo que exige su proceso.
Mecánica de flujo axial y mixto
El rotor de una bomba centrífuga de flujo axial es esencialmente una hélice. El fluido se mueve paralelo al eje, como se muestra en la Figura 5. Las paletas de difusión se encuentran en el puerto de descarga. Matan la velocidad de rotación que la hélice le dio al fluido. Los compresores de flujo axial también mueven gases siguiendo este mismo principio.
Las bombas de flujo mixto toman un camino diferente. El fluido sale tanto radial como axialmente. Entra en una carcasa tipo voluta. La geometría cambia la dirección y la presión simultáneamente.
Dinámica de la bomba regenerativa
Una bomba regenerativa también se conoce como bomba de turbina o bomba periférica. El impulsor presenta paletas a ambos lados de su borde. Gira dentro de un canal en forma de anillo dentro de la carcasa.
El fluido no sale disparado libremente desde la punta del impulsor. En cambio, recircula a un punto más bajo del diámetro del impulsor. Este proceso se llama regeneración. Aumenta la altura desarrollada por la bomba.
Los espacios libres en estas bombas son ajustados. No puedes utilizarlos para líquidos con partículas sólidas. Los sólidos atascarían el mecanismo. Manejan líquidos con vapores y gases. Incluso pueden bombear gases si hay suficiente líquido para sellar los espacios estrechos. Son estrictamente para líquidos móviles.
Principios de la bomba electromagnética
Las bombas electromagnéticas tienen una limitación importante. Sólo funcionan con fluidos que conducen bien la electricidad. El tubo que transporta el fluido se encuentra en un campo magnético. Una corriente atraviesa el fluido. Esto crea una fuerza electromagnética. La fuerza empuja el fluido en la dirección del flujo.
La corriente y el campo se pueden generar de varias maneras. El principio coincide con el de un motor eléctrico. Estas bombas son fundamentales para enfriar los reactores nucleares. Mueven metales líquidos de manera eficiente sin mover piezas mecánicas en la corriente de fluido.
Los elevadores de gas funcionan sin una sola parte móvil. El gas comprimido golpea el líquido en el fondo del pozo. La mezcla se vuelve más ligera. La flotabilidad se hace cargo. Sube y baja. Este diseño maneja sólidos fácilmente. Los elevadores aéreos, que alguna vez fueron comunes para agua y petróleo, ahora son raros.
El principio del eyector de chorro
El fluido se mueve a través de una boquilla venturi. Picos de velocidad. Caídas de presión. Esto crea succión. Se arrastra una segunda corriente de fluido.
Los aspiradores utilizan agua para ello. Los eyectores de vapor empujan los vapores. Manejan grandes volúmenes a bajas presiones. El vapor a alta velocidad ingresa a la bomba. Transfiere impulso al gas. La mezcla llega al difusor. La energía cinética se convierte en presión. El gas pasa de baja a alta presión. Estas bombas datan de 1850.
Arietes hidráulicos y golpes de ariete
Un flujo de agua descendente eleva una parte más. El tubo de entrada ve cerrarse una válvula de retención. La energía cinética se detiene repentinamente. Como un golpe de ariete. Picos de presión. Se abre una segunda válvula. El agua ingresa a la cámara de aire. Empuja hacia arriba el tubo de descarga.
La presión en la entrada cae. La primera válvula se vuelve a abrir. El aire comprimido sella la cámara. El ciclo se repite. Alrededor del 15 por ciento del agua de entrada alcanza cinco veces su altura de caída. Desarrollados a finales del siglo XVIII, todavía alimentan algunos sistemas domésticos.
Creando un vacío
Las bombas de vacío son compresores. Toman gas por debajo de la presión atmosférica. Lo comprimen. Se descargan a presión atmosférica. El gas a baja presión tiene un gran volumen. Estas bombas son voluminosas.
Los eyectores de chorro de vapor dominan la industria. Los pistones alternativos también funcionan. Las bombas de paletas rotativas son comunes. Todos sirven para sacar el aire.
