Bombas Hidráulicas: una mirada al diseño, operación y mantenimiento (Parte 1)

 

Uno de los equipos mas conocidos e importantes en procesos industriales son las bombas hidráulicas. Por esta razón, es importante que los ingenieros tengamos presentes los aspectos técnicos para el diseño, operación y mantenimiento de estos equipos.

En este articulo veremos las consideraciones y definiciones generales de las bombas hidráulicas, cuales son sus tipos o como se clasifican; así como también, nombraremos las normas técnicas más importantes que recomendamos como referencia para la utilización de estos equipos en los procesos industriales, que como ingenieros debamos diseñar, operar y mantener.

¿Qué es una bomba hidráulica?

Se podría definir a una bomba hidráulica como un equipo o máquina que transforma la energía con que es accionada en energía de un fluido incompresible que ella misma lo hace mover. Esto es, absorbe fluido dentro de sí misma a través de un orificio o brida de entrada y lo impulsa hacia fuera a través de un orificio o brida de salida

En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión a otra de mayor presión.

Las consideraciones que aplican para la definición de una bomba hidráulica son:

• El fluido manejado por la maquina puede ser cualquier fluido incompresible (líquido). El fluido incomprensible poder ser liquido con un amplio rango de gravedad especifica o una mezcla de líquidos con solidos suspendidos, como por ejemplo los provenientes de una planta de tratamiento de aguas residuales 
• Equipo que aumenta la presión de un fluido incompresible. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli.
• El tipo de bomba hidráulica y su configuración están relacionados con el flujo, tipo de fluido, la presión de entrada y de salida.

 

¿Cuáles son los tipos principales de bombas hidráulicas?

Se puede clasificar a las bombas hidráulicas en dos grandes grupos: Bombas Dinámicas y Bombas de Desplazamiento Positivo:

Bombas Dinámicas

Las Bombas Dinámicas tienen un impulsor (o rotor) de paletas giratorias, sumergido en el líquido, el cual le proporciona una velocidad relativamente alta, que se transforma en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor.

Las bombas dinámicas se clasifican en: bombas centrífugas (de flujo radial con configuración horizontal o vertical, de flujo axial), periféricas o regenerativas, y de efecto especial.

Bombas Centrifugas

Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que sirve para transformar la energía mecánica de un impulsor o rodete en energía cinética o de presión de un fluido incompresible. Por lo tanto, la bomba centrífuga convierte la energía con la que es accionada, principalmente mecánica, en energía hidráulica.

Las ventajas principales de una bomba centrífuga son la simplicidad, el bajo costo inicial, el flujo uniforme (sin pulsaciones), el pequeño espacio necesario para su instalación, los costos bajos de mantenimiento, el funcionamiento silencioso y su capacidad de adaptación para su uso con impulsores por motor o turbina.

Bombas Centrífugas de Flujo Radial

En las bombas centrífugas de flujo radial el líquido entra a la bomba cerca del eje del impulsor y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión

Este tipo de bombas de acuerdo a la orientación del eje de rotación se clasifican en: bomba horizontal o bomba vertical

Bombas Horizontales

La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura. En este tipo de bombas, el líquido llega al equipo por medio de una línea de aspiración o succión y es necesario que dicha línea se encuentre llena antes de su puesta en servicio (cebado).

Bombas Verticales

Las bombas con eje de giro en posición vertical tienen, casi siempre, el motor a un nivel superior al de la bomba; por lo que es posible, al contrario que en las horizontales, que la bomba trabaje rodeada por el líquido con el motor por encima de éste. Esta configuración permite que el funcionamiento sea No Sumergida o Sumergida.

Las bombas verticales no sumergidas, tienen el motor sobre la bomba o muy por encima de ésta. La elevación es para protección de una posible inundación o para hacerlo más accesible si, por ejemplo, la bomba trabaja en un pozo.

Por otro lado, en las bombas verticales con funcionamiento sumergido se elimina el inconveniente del cebado. El impulsor está continuamente rodeado por el líquido, por lo tanto, la bomba está en disposición de funcionar en cualquier momento.

Bombas Centrifugas de Flujo Axial

En las bombas axiales el líquido entra a la bomba cerca del eje del impulsor, y las paletas lo impulsan siguiendo una línea paralela al eje de la bomba. El impulsor suele ser de gran tamaño, y su forma asemeja a una hélice de barco.

Las bombas axiales operan a altos caudales con bajos diferenciales de presión, suelen tener orientación vertical y poseen las mismas ventajas en cuanto a bajos requerimientos de mantenimiento que una bomba centrífuga.

Bombas de Efecto Especial

En esta clasificación se incluyen todos aquellos equipos que mediante algún principio físico generen el desplazamiento del fluido. Éstos incluyen:

•  Arrastre.
• Jet (mediante eyectores)
• Levantamiento artificial (Gas Lift).
• Ariete hidráulico.
• Electromagnética.
• Centrífuga de tornillo.
•  Carcasa rotativa (Pitot).

Bombas Periféricas o Regenerativas

En las bombas regenerativas el impulsor tiene la forma de una turbina con un gran número de aspas radiales, y el flujo sigue una trayectoria intermedia entre el flujo axial y el flujo centrífugo.

En una bomba regenerativa el fluido incrementa su velocidad y presión gradualmente a medida que fluye de un aspa a la siguiente, lo que ocasiona que fluidos alimentados a una presión cercana a la presión de vapor tengan menos probabilidad de experimentar un cambio de presión que ocasione cavitación y, por lo tanto, requieren de una altura neta de succión positiva (NPSH) menor que bombas centrífugas.

Bombas de Desplazamiento Positivo

Las bombas de Desplazamiento Positivo consisten en una caja fija que contiene engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., las cuales operan con una distancia mínima. En lugar de impulsar el líquido, como en una bomba dinámica, una bomba de desplazamiento positivo lo atrapa y lo empuja contra la caja fija. La bomba de desplazamiento positivo descarga un flujo continuo.

Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, estas bombas no se limitan a este servicio, ellas pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos.

Las bombas de desplazamiento positivo poseen eficiencias más elevadas que las dinámicas, pero suelen presentar mayores requerimientos de mantenimiento.

Las bombas de desplazamiento positivo se clasifican en: bombas reciprocantes (de pistón, de diafragma) y giratorias.

Bombas Reciprocantes

Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo que descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera.

El flujo de descarga de las bombas centrífugas y de la mayor parte de las bombas rotatorias es continuo, pero en las bombas reciprocantes el flujo pulsa, dependiendo del carácter de la pulsación del tipo de bomba y de que ésta tenga o no una cámara de amortiguación.

Las bombas reciprocantes, pueden impulsar al fluido ya sea directamente, con el pistón entrando en contacto con el fluido, o indirectamente, a través de una membrana inerte denominada diafragma.

Bombas de Pistón

El pistón entra en contacto directamente con el fluido. La transmisión es mediante cilindros de máquina de vapor o motores a través de cigüeñales.

Como el fluido manejado ocupa el volumen entero del cilindro sin ningún tipo de barrera con el pistón, el mismo no debe contener sólidos.

Bombas de Diafragma

Este tipo de bombas impulsan el fluido mediante un diafragma, que puede ser empujado por un pistón o por aire. Generalmente se usan para capacidades pequeñas. Un diafragma de material flexible, no metálico, puede soportar mejor la acción corrosiva o erosiva, que las partes metálicas de algunas bombas reciprocantes.

Las bombas de diafragma se usan para líquidos, ya sean claros o con un alto contenido de sólidos. También son apropiadas para pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones ácidas y alcalinas, así como mezclas de agua con sólidos que pueden ocasionar erosión.

La desventaja de este tipo de bombas es que tiene un requerimiento relativamente alto de mantenimiento y el diafragma tiene probabilidad de fallar.

Bombas Giratorias

Este tipo de bombas de desplazamiento positivo se basan en el movimiento de volúmenes fijos de fluido en los intersticios entre una pieza impulsora montada en un eje y la carcasa de la bomba o algún elemento adicional, o se basan en el principio de funcionamiento de un tornillo sin fin.

Las separaciones entre las partes fijas y móviles están en el orden de las milésimas de pulgada, evitando el retroceso de fluido.

Las bombas giratorias pueden manejar fluidos muy viscosos a presiones elevadas, y tienen un amplio rango de operación en cuanto a caudales y alturas.

¿Dónde conseguir información técnica de bombas hidráulicas?

A continuación, se tienen algunas normas para el diseño de bombas que deben ser referencia para el diseño, operación y mantenimiento de las mismas:

 

ANSI/API STD 610	Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries. 12th Edition, January 2021
ANSI/API STD 682	Pumps Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps. Third Edition, September 2004
ANSI/Hydraulic Institute Standards 9.8	Pump Intake Design Standards.1998
API STD 674	Positive Displacement Pumps – Reciprocating. (Includes Errata 1 dated May 2014 and Errata 2 dated April 2015) 3rd Edition, November 2016
API STD 675	Positive Displacement Pumps – Controlled Volume (includes Errata 1 dated June 2014 and Errata 2 dated April 2015). 3rd Edition, July 2021
API STD 676	Positive Displacement Pumps – Rotary. 3rd Edition, March 2015
API STD 682	Pumps—Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps. 4th Edition. March 2014.
API STD 685	Sealless Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical, and Gas Industry Process Service, 2d Edition, February 2011.
RP 686	Recommended Practice for Machinery Installation and Installation Design