Elegir la bomba adecuada puede resultar desalentador, sobre todo cuando hay que elegir entre bombas centrífugas y bombas de desplazamiento positivo. Estos dos tipos de bombas desempeñan funciones distintas y tienen características operativas únicas. Este artículo le guiará a través de los factores esenciales a tener en cuenta, incluidas las propiedades del líquido bombeado y los requisitos específicos de su sistema. Al final, comprenderá las diferencias clave y estará preparado para tomar una decisión informada que optimice tanto la eficiencia como la rentabilidad en sus aplicaciones industriales.
Las bombas son el segundo equipo industrial más utilizado después de los motores. Actualmente hay millones de bombas en funcionamiento en todo el mundo, que transportan miles de tipos de líquidos diferentes.
Seleccionar la bomba adecuada entre la miríada de opciones disponibles es una tarea compleja. En gran medida, la selección de una bomba implica adaptar sus capacidades a los requisitos del sistema y a las características del fluido bombeado.
En este artículo, empezaremos con las propiedades del líquido bombeado, desde la perspectiva de los requisitos del usuario, y luego profundizaremos en los detalles de la selección de bombas.
En cualquier aplicación, el primer paso es comprender los requisitos básicos que el usuario tiene para la bomba. Por ejemplo: condiciones de entrada, caudal requerido, presión diferencial, temperatura y características del fluido como viscosidad, abrasividad, sensibilidad al cizallamiento y corrosividad. Todas estas condiciones deben determinarse antes de seleccionar una bomba.
Las bombas necesitan funcionar en condiciones de aspiración correctas para funcionar bien. De hecho, el mayor problema al que se enfrentan las bombas se debe a unas condiciones de aspiración deficientes. Dado que la capacidad de la bomba para impulsar líquido es muy superior a su capacidad para aspirarlo, las condiciones de aspiración deben mantenerse dentro de la capacidad de la bomba.
La presión diferencial también es un factor crítico, sobre todo si se tiene en cuenta el ahorro de energía y la vida útil de la bomba. El uso de tuberías de menor diámetro y mayor longitud puede reducir los costes iniciales del sistema, pero también puede dar lugar a un mayor diferencial de presión para la bomba.
Este mayor diferencial de presión puede traducirse en consumo de energía y acortar potencialmente la vida útil de la bomba, lo que se traduce en mayores costes de funcionamiento y menor eficiencia.
Las características requeridas del fluido suelen conocerse, y la clave está en comprender cómo afecta una bomba determinada a estas características. La mayoría de los usuarios prefieren que el líquido descargado por la bomba esté en las mismas condiciones que cuando entró en la bomba. Para una correcta selección de la bomba, la compatibilidad de materiales, la viscosidad, la sensibilidad al cizallamiento y la presencia de sustancias o sólidos específicos son de suma importancia.
Una vez cumplidos los requisitos básicos y conocidas las características del líquido, puede empezar la selección de la bomba. Por lo general, las bombas se dividen en dos categorías básicas: bombas cinéticas (el mayor tipo de las cuales son las bombas centrífugas) y bombas de desplazamiento positivo (PD).
Según datos del Departamento de Comercio de EE.UU., aproximadamente 70% de todas las ventas de bombas son bombas cinéticas, mientras que las 30% restantes son bombas de desplazamiento positivo. El primer paso para elegir una bomba es determinar cuál de las bombas centrífugas o de desplazamiento positivo es más adecuada para sus necesidades.
Como la mayoría de las bombas industriales son centrífugas, mucha gente considerará en primer lugar las bombas centrífugas. El coste de las bombas centrífugas suele ser inferior al de las bombas de desplazamiento positivo, y también son el tipo de bomba correcto para muchas situaciones.
Cada tipo de bomba agita el líquido a su manera, y cada una tiene sus propias características y curvas de funcionamiento. Es importante destacar que las bombas centrífugas afectan al caudal del líquido, lo que da lugar a una determinada presión en el puerto de descarga.
Por el contrario, una bomba de desplazamiento positivo agita el líquido obteniendo primero una cantidad específica de líquido y llevándola desde el puerto de succión hasta el puerto de descarga.
En las bombas centrífugas, primero se forma la presión y, a continuación, se genera el caudal. En el caso de las bombas de desplazamiento positivo, primero se genera el caudal y, a continuación, la presión.
Para elegir el tipo más adecuado entre varias bombas, es fundamental comprender las diferencias en las características de funcionamiento de estos dos tipos de bombas. Si se observan sus gráficos de rendimiento (Figura 1a), se puede ver lo diferentes que son sus principios de funcionamiento.
Las bombas centrífugas presentan un fenómeno de caudal variable que depende de la presión (o altura), mientras que las bombas de desplazamiento positivo presentan un fenómeno de caudal más o menos constante que es independiente de la presión.
La viscosidad desempeña un papel importante en el rendimiento mecánico de una bomba. Como las bombas centrífugas funcionan a velocidades de motor, su rendimiento disminuye al aumentar la viscosidad, debido a las mayores pérdidas por fricción dentro de la bomba. Obsérvese que el índice de disminución del rendimiento de las bombas centrífugas es rápido al aumentar la viscosidad (figura 1b).
Otra distinción importante es el efecto de la viscosidad en la capacidad de la bomba. En el gráfico de caudal (Figura 1c), se observa una disminución del caudal a medida que aumenta la viscosidad en las bombas centrífugas, mientras que las bombas de desplazamiento positivo experimentan un aumento del caudal.
Esto se debe a que el líquido de mayor viscosidad llena los huecos dentro de la bomba de desplazamiento positivo, lo que da lugar a un mayor rendimiento volumétrico. La figura 1c sólo representa el impacto de la viscosidad en el caudal de la bomba.
Tenga en cuenta que también se producirá un aumento de las pérdidas en las tuberías del sistema. Esto significa que el caudal dentro de la bomba centrífuga disminuirá aún más con un aumento de la presión diferencial de la bomba.
Al considerar el efecto de la presión diferencial sobre el rendimiento mecánico de la bomba, las bombas cinéticas y de desplazamiento positivo presentan características diferentes. La figura 1d ilustra cómo se ve afectado el rendimiento de la bomba al aumentar la presión.
En el caso de las bombas de desplazamiento positivo, el rendimiento mejora al aumentar la presión, mientras que las bombas centrífugas tienen un punto de máximo rendimiento (Best Efficiency Point, BEP). A ambos lados de este punto, el rendimiento general de la bomba disminuye significativamente.
Estos dos tipos de bombas tienen requisitos muy diferentes en cuanto a las condiciones de entrada. Las bombas centrífugas necesitan cierta cantidad de líquido en la bomba para crear un diferencial de presión. Una bomba seca sin líquido no puede arrancar por sí sola.
Una vez puestas en marcha, las bombas centrífugas deben cumplir unos requisitos específicos de presión de entrada recomendados por el fabricante.
Dado que las bombas de desplazamiento positivo agitan el líquido expandiendo y contrayendo su volumen, se crea una presión negativa en la entrada, lo que permite a la bomba autocebarse.
En algunos casos, éste es el único factor determinante a la hora de elegir entre una bomba de desplazamiento positivo o una centrífuga.
En resumen, cuando la viscosidad supera los 150 cP, y es necesario predecir caudales en un amplio rango, o cuando se desea la autocebado, puede considerarse una bomba de desplazamiento positivo. El consumo de energía también debe tenerse en cuenta al elegir entre bombas centrífugas y de desplazamiento positivo, ya que puede haber diferencias significativas en el uso de energía entre ambas.
Esto es especialmente importante para caudales inferiores a 100 galones por minuto, donde la disminución del rendimiento es más pronunciada para las bombas centrífugas.
Incluso después de decidirse a utilizar una bomba volumétrica, todavía hay muchas opciones a considerar. Antes de detallar los pormenores de cada operación de bombeo, repasemos primero algunas características operativas comunes de las bombas volumétricas.
Como ya se ha mencionado, una bomba volumétrica rotativa descarga el mismo volumen de fluido con cada rotación del eje. Esto significa que el caudal del fluido descargado es proporcional a la velocidad de rotación.
En otras palabras, el caudal puede controlarse simplemente cambiando la velocidad de la bomba. Para fluidos más viscosos, la bomba puede dosificarse simplemente midiendo el número de rotaciones del eje.
La estructura de una bomba volumétrica requiere componentes internos bien ajustados y una cierta holgura de funcionamiento. Debido a esta holgura, parte del fluido fluirá de vuelta desde el extremo de descarga al extremo de aspiración.
Este fenómeno se conoce como "deslizamiento". La cantidad de fluido que resbala depende de la viscosidad del fluido, la diferencia de presión y la holgura interna de la bomba. Una menor viscosidad suele provocar un mayor deslizamiento, mientras que los fluidos más espesos deslizan menos.
Dado que una bomba volumétrica siempre intenta descargar la misma cantidad de fluido, es importante disponer de los dispositivos de protección contra sobrepresión necesarios en el sistema. Cuando se produce un bloqueo en la descarga de la bomba, suele producirse un aumento de presión, que sólo se detiene cuando: la carga supera el límite del motor; algunos componentes del sistema se rompen y liberan la presión; o la bomba falla. Todas estas situaciones son inseguras. Una bomba volumétrica necesita una forma de aliviar la presión.
Para conseguir aliviar la presión, hay varios métodos entre los que elegir. El más habitual es utilizar una válvula limitadora de presión, pero también se puede emplear un disco de ruptura en la línea de descarga.
Dado que el par de accionamiento está directamente relacionado con la presión diferencial dentro de la bomba volumétrica, también puede utilizarse un acoplamiento de par limitado. La clave es recordar que en el interior de la bomba volumétrica pueden acumularse presiones muy altas, que deben limitarse en caso de bloqueo de la descarga o de bloqueo parcial.
Las bombas volumétricas pueden dividirse en muchos tipos. El Instituto Americano de Hidráulica, una organización formada por fabricantes de bombas, ha editado varias publicaciones sobre tipos de bombas y normas. Clasifican las bombas volumétricas rotativas en: de impulsor, de pistón, de levas, de engranajes, de pistón anular y de tornillo.
Además, existen subcategorías para cada tipo de bomba, lo que significa que hay muchos tipos de bombas volumétricas. Todas estas bombas tienen la misma función de transportar fluido, así que ¿cómo elegimos la correcta?
Aunque la mayoría de las bombas volumétricas pueden modificarse para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones, algunos tipos son mejores que otros para un entorno determinado. Afortunadamente, para el transporte básico de fluidos, unas pocas bombas han demostrado ser superiores. En las secciones siguientes, analizaremos las características de rendimiento de las bombas de engranajes internos, las bombas de engranajes externos y las bombas de rodete.
La bomba de engranajes internos consta de un componente de engranaje externo conocido como rotor, que se encarga de accionar el engranaje interno, también conocido como polea tensora (figura 2). La polea tensora es ligeramente más pequeña que el rotor y gira alrededor de un pasador fijo mientras funciona dentro del rotor.
Cuando estos componentes se desacoplan, se forma un cierto espacio vacío que permite que el líquido fluya hacia el interior de la bomba. Cuando estos componentes se engranan, el volumen del espacio disminuye gradualmente, obligando al líquido a fluir fuera del puerto de descarga.
El líquido puede fluir hacia la cavidad en expansión a través de los engranajes del rotor y el hueco situado bajo el cabezal de la bomba. El último elemento clave del diseño de este tipo de bomba es la barrera en forma de media luna, integrada en el cabezal de la bomba.
La barrera en forma de media luna sella el volumen de líquido entre la polea tensora y el engranaje, sirviendo de sello entre los puertos de admisión y descarga.
El engranaje del rotor está fijado a un eje de engranaje y soportado por un collar del eje o cojinete antifricción (figura 3). El conjunto del engranaje loco también incluye un cojinete de collar que se encuentra dentro del líquido bombeado y gira alrededor de un pasador fijo.
Dependiendo de la disposición de la junta del eje, el cojinete de apoyo del eje del rotor puede funcionar dentro del líquido bombeado. Es necesario hacer hincapié en este aspecto cuando se transportan líquidos corrosivos, ya que pueden corroer el cojinete de apoyo.
El límite de presión real de estas bombas depende del funcionamiento del cojinete de apoyo del eje del rotor. La presión diferencial nominal de la gran mayoría de las bombas de engranajes internos es de 200 psi, aunque pueden utilizarse para presiones superiores en las condiciones de aplicación correctas.
La velocidad de las bombas de engranajes internos es relativamente más lenta que la de las bombas centrífugas. Generalmente, el máximo es de 1150 rpm, pero algunos diseños pequeños pueden alcanzar 3450 rpm. Dado que las bombas de engranajes internos pueden funcionar a bajas velocidades, son muy adecuadas para transportar fluidos de alta viscosidad, aunque también pueden aplicarse con éxito a líquidos poco viscosos. Las bombas de engranajes internos han bombeado con éxito líquidos con viscosidades superiores a 1.000.000 cSt y líquidos de muy baja viscosidad, como propano líquido y amoníaco.
El rango de caudal de este tipo de bomba oscila entre 0,5 galones/minuto y 1500 galones/minuto. Los materiales incluyen hierro fundido y una variedad de diferentes aleaciones resistentes a la corrosión, incluyendo Hastelloy.
Las bombas de engranajes internos adoptan un diseño de tolerancia ajustada durante la fabricación, que puede dañarse al bombear sólidos de mayor tamaño. Este tipo de bomba puede transportar pequeñas partículas en suspensión en aplicaciones corrosivas, pero se desgastará y degradará gradualmente su rendimiento.
En aplicaciones corrosivas, la elección de materiales resistentes a la corrosión puede prolongar considerablemente la vida útil de la bomba. En este caso, el carburo de tungsteno, el acero endurecido o diversos revestimientos pueden ofrecer excelentes resultados.
Las bombas de engranajes internos tienen una gama de aplicaciones muy amplia, e incluso pueden utilizarse eficazmente para líquidos sensibles al cizallamiento. Las áreas de aplicación incluyen aguas residuales, polímeros, pinturas sensibles al cizallamiento, emulsiones de asfalto y determinados alimentos, como la mayonesa.
Cuando se utiliza este tipo de bomba, sólo una cantidad muy pequeña de líquido se ve sometida a fuerzas de cizallamiento en cualquier momento. Además, cuando es necesario, la holgura y la velocidad pueden ajustarse para minimizar el impacto de las fuerzas de cizallamiento.
Las bombas de engranajes externos funcionan de forma similar a las bombas de engranajes internos en la acción de bombeo, que consiste en engranar y desengranar dos engranajes para impulsar el flujo de fluido (figura 4).
Sin embargo, las bombas de engranajes externos utilizan dos engranajes completamente idénticos que engranan y giran entre sí. Cada engranaje está soportado por un eje de engranaje, y hay un cojinete a ambos lados de cada engranaje. Normalmente, los cuatro cojinetes funcionan dentro del líquido bombeado.
Como el engranaje se apoya en ambos lados, la bomba de engranajes externa puede utilizarse en aplicaciones de alta presión, como dentro de dispositivos hidráulicos.
Las bombas diseñadas para el suministro hidráulico pueden soportar presiones de miles de libras por pulgada cuadrada. Las bombas industriales de transporte pueden soportar presiones aún mayores, pero las características del líquido pueden limitar el rango de presión.
Los líquidos más finos pueden alcanzar cientos de psi, mientras que los líquidos más viscosos pueden acercarse a la presión de las bombas hidráulicas. Normalmente, las bombas de engranajes externos más pequeñas deben funcionar dentro de un rango de 1.750 a 3.450 rpm, mientras que las bombas de engranajes externos más grandes funcionan a una velocidad máxima de 640 rpm.
El rango de caudal de la bomba de engranajes externa va desde muy bajo (unas pocas gotas por minuto) hasta bastante alto, 1500 galones por minuto. Las bombas de engranajes externos pueden fabricarse con una gran variedad de materias primas, incluidas aleaciones de alta gama.
Los diseños de bombas de engranajes externos pueden utilizar tolerancias más estrictas que las bombas de engranajes internos. Sin embargo, las bombas de engranajes externos no toleran partículas en el líquido bombeado. Puesto que hay un espacio en ambos extremos del engranaje, no es posible ajustar el espacio del extremo para el desgaste. Cuando la bomba de engranajes externos se desgasta, debe volver a montarse o sustituirse.
Siempre que se ajuste correctamente la velocidad, especialmente en el caso de líquidos con mayor viscosidad, la bomba de engranajes externa puede bombear tanto líquidos viscosos como acuosos. Dado que los líquidos viscosos necesitan cierto tiempo para llenar los espacios entre los dientes de los engranajes, la velocidad de la bomba debe reducirse considerablemente cuando se bombean líquidos viscosos. Su límite de viscosidad es en realidad el mismo que el de una bomba de engranajes interna, ambos a 1.000.000 cSt.
El rendimiento de la bomba de engranajes externa en condiciones críticas de aspiración no es el ideal, especialmente en el caso de líquidos volátiles. Los líquidos volátiles suelen sufrir una evaporación parcial cuando el espacio entre los dientes se expande rápidamente.
El principio de funcionamiento de la bomba de paletas es teóricamente similar al de otras bombas volumétricas con volúmenes en expansión y contracción, pero emplea un mecanismo diferente para llevar a la práctica esta teoría (figura 6). Curiosamente, la bomba de paletas es esencialmente dos bombas en una.
La primera acción de bombeo se genera por la expansión de volumen entre el impulsor, el rotor y la carcasa de la bomba, mientras que una acción de bombeo menos perceptible se produce en la zona situada bajo el impulsor.
En esta zona, tanto si el impulsor entra como si sale de la ranura del rotor, se forma una acción de bombeo, que en realidad representa aproximadamente 15% del desplazamiento total de la bomba.
Normalmente, esta zona se ventila a través de las ranuras del interior del impulsor o del rotor. Es crucial entender esto, especialmente cuando se trata de líquidos más viscosos, ya que el flujo de líquido viscoso dentro y fuera del área entre los impulsores puede ser más difícil.
Por lo tanto, la viscosidad media máxima recomendada para este tipo de bomba es de aproximadamente 25.000 cSt.
El impulsor, que es el principal componente de sellado entre los puertos de admisión y descarga, suele estar fabricado con materiales compuestos no metálicos. Como no hay contacto metal-metal, las bombas de impulsor se utilizan con frecuencia para líquidos de baja viscosidad sin efectos lubricantes, como el propano y el amoníaco. Como el impulsor entra en contacto directo con la carcasa de la bomba y se minimiza la holgura interna, se pueden optimizar las características de deslizamiento de los líquidos poco viscosos.
La mayoría de las bombas de rodete para transportadores limitan la presión a 125 psi, aunque algunas están clasificadas para 200 psi. El límite de presión de la bomba de rodete depende en gran medida de la resistencia del rodete.
Gracias al impulsor no metálico y a unas holguras de funcionamiento muy pequeñas, las bombas de impulsor pueden iniciar muy bien las operaciones de cebado. Cuando la bomba inicia la operación de cebado, debe descargar aire, y lo que se descarga es un fluido muy fino. Como las bombas de impulsor pueden hacer esto bien, a veces se utilizan como bombas de vacío.
Las bombas de impulsor suelen estar soportadas a ambos lados del rotor por manguitos de eje o cojinetes antifricción. Si se utilizan cojinetes de manguito del eje, funcionarán en el líquido. Si se utilizan cojinetes antifricción, los sellos internos de la bomba deben utilizarse para permitir que los cojinetes funcionen en aceite lubricante o grasa. Este diseño requiere dos cierres mecánicos, uno a cada lado del rotor.
Las bombas de impulsor suelen funcionar dentro de la gama de velocidades de 1000 a 1750 rpm, y el caudal puede alcanzar hasta 2000 galones/minuto. Sin embargo, cuando se trata de líquidos de alta viscosidad, la velocidad requerida se reducirá significativamente para permitir que el líquido entre por debajo del impulsor.
En aplicaciones con líquidos de alta viscosidad, se requieren impulsores fabricados con materiales más resistentes para evitar roturas. Los materiales más comunes para la construcción de bombas de impulsor son el hierro fundido o la fundición dúctil. Algunos fabricantes utilizan materiales de acero inoxidable en bombas que deben manipular líquidos finos y corrosivos.
Las bombas de impulsor pueden bombear algunas sustancias corrosivas, pero no sólidos. Para aplicaciones de bombeo de sustancias corrosivas, debe tenerse cuidado al elegir correctamente los materiales del impulsor y de la junta. Al igual que las bombas de engranajes externos, las bombas de impulsor tienen holguras finales fijas en ambos extremos del rotor y del impulsor.
Una vez que se produce el desgaste, estas holguras no pueden ajustarse; sin embargo, algunos fabricantes ofrecen ahora tapas de extremo reemplazables o reversibles. El uso de un revestimiento de la carcasa también es una forma de restaurar el rendimiento de la bomba cuando se produce desgaste.
Comprender los principios de funcionamiento de las distintas bombas es un buen comienzo para seleccionar correctamente un modelo para un entorno de aplicación determinado. Aunque las distinciones entre las distintas opciones pueden no estar muy claras, las diferencias básicas de funcionamiento y capacidad pueden servir para orientar la selección.
Bombas de engranajes internos pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones, pero suelen funcionar más lentamente que otras bombas. Inicialmente, elegir una bomba de engranajes internos puede suponer unos costes ligeramente superiores, pero en comparación con las bombas de funcionamiento más lento, su vida útil tiende a ser más larga.
Bombas de engranajes externas tienen una excelente capacidad de manejo de la presión y características precisas de control del caudal, pero no pueden utilizarse para manejar medios sólidos o corrosivos. El coste de fabricación de las bombas de engranajes externos es inferior, por lo que son una opción económica y razonable en campos de aplicación de menor demanda.
Bombas de hélice funcionan bien cuando transportan líquidos poco espesos, pero deben funcionar a velocidades reducidas cuando manipulan líquidos viscosos. Las bombas de impulsor tampoco pueden transportar materiales sólidos.
Una selección incorrecta de las bombas suele generar costes más elevados. En concreto, puede repercutir negativamente en el tiempo de inactividad, la pérdida de producción, los costes de mantenimiento y el consumo de energía. Dedicar más tiempo a elegir la bomba adecuada en el sistema adecuado puede minimizar desembolsos innecesarios y lograr mayores beneficios a largo plazo.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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