Title: Materials formatius
Course: Elements d'impulsió de líquids (bombes) > Section: 1: Tipus

Aquí veuràs la classificació general de les bombes, un conjunt de vídeos i imatges de mostra. Trobaràs un conjunt d'exercicis que et serviran per reforçar l'aprenentatge.

Impulsió de líquids : bombes

Recordes en la unitat anterior que parlàvem de transport actiu com el que es fa a pressió i no per la força de la gravetat? Això vol dir que podem pujar el fluid a un nivell més elevat. Per la llei de conservació de l'energia, si el fluid puja, és que li hem donat energia, com i amb què?

Els elements d'impulsió de fluids n'augmenten l'energia perquè flueixin en les condicions de transport desitjades. A les instal · lacions per transportar líquids, l'element d'impulsió és la bomba.

DESTACAT
Les bombes són dispositius mecànics que subministren energia al líquid, energia que es pot emprar per augmentar-ne la velocitat, la pressió o l'altura a la que es troba. L'energia se la subministra un motor que transforma energia elèctrica, la més habitual, en mecànica i la transmet al líquid quan està dins de la bomba, entre la canonada d'entrada i la de sortida.

Recordes l'equació de Bernoulli que vam veure al final de la primera unitat de treball? Donem-li un repàs:

1 2 V 2 2 - V 1 2 + g h 2 - h 1 + P 2 - P 1 ρ = W - E F

on

v_1: velocitat mitjana del fluid en el punt 1. v_2: velocitat mitjana del fluid en el punt 2.
h_1: alçada del líquid en el punt 1. h_2: alçada del líquid en el punt 2.
P_1: pressió en el punt  1. P_2: pressió en el punt 2.
ρ: densitat del fluid.
W: Treball subministrat per un equip d'impulsió (J/ kg)  col·locat entre 1 i 2.
E_F : pèrdues d'energia per fregament (J/kg), del fluid entre 1 i 2.

Aquesta W és l'energia que li passa la bomba al fluid i si mirem la fórmula veiem que serveix per subministrar:

- energia cinètica, que és el primer terme (associada a la velocitat, v),
- energia potencial associada a l'altura, h), en el segon terme, i
- pressió, que és el tercer terme.
- Fixa't que ha de donar energia per vèncer també les pèrdues de càrrega ( E_F ) que, com veus, resten de l'energia (W ) de la bomba.

La bomba no té un rendiment del 100%, el que vol dir que el motor ha de comunicar a la bomba una energia superior, de la qual aquesta subministra al líquid i que es perd en fregaments interns dels mecanismes de la bomba i també per fregaments del líquid amb el mecanisme i amb si mateix, quan passa per la bomba.

En el funcionament correcte d'una bomba intervenen tot un conjunt de característiques que influeixen en la seva eficàcia i eficiència, com són:

- naturalesa del producte que es bomba (densitat, viscositat, temperatura, pressió de vapor, capacitat de corrosió, sòlids en suspensió, ... ).
- Cabal de transport.
- Canonada d'alimentació, aspiració o succió, és a dir, la d'entrada.
- Conducció de descàrrega o impulsió, a la sortida de la bomba.
- Altura a què cal elevar el líquid.
- Altres condicionants: servei continu o discontinu, condicions ambientals (atmosfèriques o del líquid si està submergida ), costos d'operació, manteniment i reparació.

L'operació en condicions òptimes suposa sempre un estalvi energètic i econòmic important.

Com classifiquem els tipus de bombes? El sistema de classificació més emprat es basa en el mecanisme de transferència d'energia al líquid.

Hi ha dos grans tipus de bombes: les rotodinàmiques, que subministren velocitat al fluid i les de desplaçament positiu o volumètriques, que subministren pressió.

Bombes rotodinámiques: centrífugues i d'hèlix.

Les bombes  rotodinámiques es caracteritzen perquè tenen un disc giratori a gran velocitat, que és un rotor impulsor, anomenat rodet, dotat d'uns àleps. El líquid entra per l'eix de gir, buit, a la càmera que forma la carcassa de la bomba, on hi ha l'impulsor, gràcies a la disminució de pressió que genera el gir dels àleps. El líquid és impulsat pels àleps cap a l'exterior del rotor per acció centrífuga, adquirint velocitat i, per tant, energia cinètica.

És la manera que té la bomba de subministrar energia al líquid.

Aquí a sota pots veure diferents tipus de bombes rotodinàmiques. Has de clicar amb el ratolí a sobre per canviar de diapositiva.

rotodin%C3%A0miques.swf

Un cop tenen  energia cinètica , una part es converteix en pressió a la sortida , com? Gràcies a que al sortir passa per una voluta, espiral que acaba amb un augment de diàmetre de la conducció interna de la bomba. Algunes bombes no tenen aquesta carcassa en forma d'espiral però tenen un difusor, que és un mecanisme que actua també disminuint la velocitat i augmentant la pressió .

PENSA
Per què augmenta la pressió en augmentar el diàmetre a la sortida de la bomba?

Comprova aquí la resposta

Ara ja sabem que una bomba centrífuga converteix l'energia del motor en energia de gir del rotor; aquest la passa en forma d'energia cinètica al líquid i després una part es converteix en pressió en sortir de la bomba.

Segons la geometria del rodet impulsor, tenim:

- Les bombes radials, que expulsen el líquid perpendicularment a l'eix i
- Les axials, que ho fan al llarg de l'eix ,
- També hi ha les mixtes que, com el seu nom indica, prenen una via intermèdia. Revisa les fotografies de més amunt per veure els diferents tipus.

En el vídeo veuràs el funcionament d'una bomba rotodinámica: Vídeo de funcionament d'una bomba rotodinámica .

Si els àleps estan fixats entre dos discos, tenim rodets tancats on el líquid s'encamina entre els discos gràcies als àleps. També tenim els àleps sense disc (rodet obert) que formen les bombes d'hèlix.

Hi ha també els mixtos: àleps units només a un disc.

DESTACAT
Les bombes centrífugues són bombes rotodinámiques radials amb els impulsors tancats.

Les bombes rotodinámiques axials amb l'impulsor obert es coneixen com a bombes d'hèlix.

Les bombes rotodinámiques poden impulsar el líquid a altures no gaire elevades, ja que no poden vèncer grans pressions a la sortida (les millors donen pressions de fins a 1,0 MPa ), però si és necessària més pressió, tenim les que es coneixen com multietapa, que tenen diversos impulsors i el líquid passa de l'un a l'altre . El cabal es correspon al que pot donar un impulsor, però la pressió de sortida va augmentant (amb dos gairebé és el doble i amb tres gairebé el triple) amb la qual cosa es pot arribar a més alçada. Repassa le darrer esquema de la presentació de més amunt per veure'n l'estructura

Una de les característiques principals d'aquestes bombes és que el cabal és constant amb el temps i depèn molt de l'altura a la qual cal pujar el fluid, a diferència d'altres tipus de bombes.

Són barates de mantenir i de construir i permeten transportar líquids amb elevat contingut en sòlids (sense que es facin malbé). Cal encebar-les o disposar de sistemes que ho facilitin, com una càmera de retenció de fluid abans de l'entrada, o mecanismes automàtics d'encebament.

AUTOAVALUACIÓ
Fes ara l'autoavaluació A ciclant aquí sobre.

Comprovaràs si has entès les bombres rotodinàtiques. Després ja podràs passar de pàgina.

Bombes de desplaçament positiu: alternatives.

Ara estudiarem el segon tipus de bomba.

Com funcionen? La paraula desplaçament ja ens dóna pistes.

DESTACAT
Les bombes de desplaçament positiu, també conegudes com volumètriques, impulsen des de la part de l'entrada (alimentació) a la part de la sortida (descàrrega) un volum fix de producte.

Mentre que a les rotodinámiques el cabal depèn molt de la pressió a la sortida (de l'altura a la qual cal impulsar el líquid o de les pèrdues de càrrega), en les de desplaçament positiu l'efecte de la pressió és reduït, de manera que es poden usar com a bombes dosificadores de cabal constant i conegut. Només petits ajustos dels mecanismes d'impulsió amb la part fixa o estator, deguts a altes pressions, ocasionen petites variacions del cabal.

Són adequades per al transport de fluids en un ampli rang de viscositats, perquè la viscositat també afecta molt poc al cabal que poden donar. Podem dividir-les en dos grans grups : alternatives i rotatives.

DESTACAT
Les bombes alternatives consisteixen en un èmbol, un pistó o un diafragma flexible que es desplaça en una cavitat (normalment un cilindre) de manera alternativa (d'aquí el nom) i agafa producte per la boca d'entrada i el deixa anar per la de sortida. Aquest sistema requereix vàlvules en la pròpia bomba que obren i tanquen les obertures d'entrada i sortida.

Clica sobre la imatge per veure les diferents fotografies i esquemes.

Alternatives.swf

Èmbol i pistó. La diferència entre èmbol i pistó és petita, bàsicament de construcció (mecanisme de moviment), normalment les d'èmbol tenen un o dos èmbols i en les de pistó solen anar acoblats diversos, la base del seu funcionament és la mateixa: un cilindre amb un èmbol en el seu interior que va i ve (alternatiu). Hi ha unes vàlvules de retenció en les boques d'entrada i sortida que actuen al contrari una de l'altra: la de l'entrada s'obre quan s'aspira i quan l'èmbol impulsa es tanca la d'entrada i obre la de sortida, que estava tancada durant l'aspiració.

Poden ser d'efecte simple (simplex) , on només aprofiten el volum del cilindre a un costat d'aquest, o doble (dúplex) si aprofiten el cilindre als dos costats de l'èmbol de manera que pot dosificar el doble de producte. En tots els casos el flux és polsant (mira el gràfic en la presentació) el que les diferencia de les rotodinàmiques; s'usen amortidors de polsos per reduir aquestes oscil·lacions. Es fabriquen bombes de pistó de diversos pistons que van actuant consecutivament, amb la qual cosa les oscil·lacions de flux disminueixen molt.

En el següent vídeo veuràs la simulació de funcionament d'una bomba de tres pistons : Bomba de tres pistons.

En les de diafragma l'element que es mou alternativament és un diafragma flexible que oscil·la per acció d'un mecanisme unit al seu centre i aquesta oscil·lació de la membrana provoca el moviment. L'avantatge d'aquestes bombes és que el diafragma és fàcil de canviar i és l'única part del mecanisme de moviment de la bomba que està en contacte amb el producte, de manera que si és resistent químicament, la resta de la bomba està més protegida i es desgasta menys. Aquestes bombes es poden considerar autocebants, però la pressió de sortida és petita (0,4 MPa o el que és el mateix 4 bar) per les característiques constructives .

Tal com pots veure en el funcionament, el volum de producte és constant i serà el que càpiga a la cavitat multiplicat pel nombre de vegades que faci la descàrrega per unitat de temps. L'únic límit de variació de cabal en aquestes bombes és que no hi hagi temps d'omplir la cavitat amb producte. La viscositat és un factor clau i caldrà reduir la velocitat de la bomba si treballem amb productes molt viscosos per garantir la màxima eficàcia.

PENSA
Les pressions a la sortida que aquestes bombes poden donar no tenen altre límit que la potència que poden aplicar i la resistència de la pròpia bomba.

Això vol dir que poden arribar a donar pressions molt elevades i que normalment requereixen vàlvules d'alleujament per no danyar la bomba o la instal·lació en cas d'obturació o de tancament de vàlvules.

Bombes de desplaçament positiu: rotatives amb dos rotors.

També pel seu nom pots intuir quin és el seu funcionament. S'assemblen a les centrífugues perquè hi ha parts que giren (rotors) però no acceleren el líquid com aquestes sinó que el desplacen, com les alternatives.

Es comporten desplaçant el producte i el porten contra qualsevol tipus de pressió, de manera que cal prendre precaucions davant d'accidents per sobrepessió.

Algunes, tanmateix, a l'estar construïdes amb elements elàstics (tubs i rotors), es deformen davant pressions altes i poden deixar de funcionar com a bombes estrictament de desplaçament positiu. Això sí, a pressions baixes i amb un bon estat de la maquinària s'hi comporten, cosa que permet utitlitzar-les en aplicacions molt concretes, com la dosificació de productes.

DESTACAT
El funcionament de les bombes rotatives és el d'una caixa fixa o estator que conté diferents sistemes en moviment circular (rotor) que giren amb un espai mínim, el que fa que s'impulsi líquid de l'entrada a la sortida. Es creen unes cavitats que es van omplint de líquid fins que surt per la descàrrega.

En aquestes bombes el segellat complet que els permet superar pressions tan elevades el proporciona el propi producte, que omple els intersticis. Per això són molt adequades pels productes viscosos.

Les diferències fonamentals amb les alternatives, a part del mecanisme de funcionament, són :

- El flux és constant amb el temps, com en les centrífugues, i no polsant, com en les alternatives.
- No requereixen vàlvules de retenció internes sinó només orificis per a les boques d'entrada i sortida.
- Poden anar en els dos sentits de marxa, invertint el gir dels rotors, encara que totes tenen un sentit de gir preferent indicat a la carcassa.

El rendiment de la bomba depèn molt de la viscositat i s'ha d'ajustar la velocitat en funció d'aquesta perquè actuï correctament. En qualsevol cas, són ideals per treballar amb fluids viscosos.

N'hi ha de diversos tipus però una primera classificació és la que es mostra a sota:

La primera divisió es correspon amb el nombre de rotors de la bomba (elements que giren per impulsar el producte).

Les més destacades entre les que tenen més d'un rotor són:

- Engranatges externs, una de les més utilitzades perquè és autoencebant i, a més, actua contra elevades pressions; poden assolir valors de 35 MPa (recorda els apartats anteriors i compara amb les centrífugues o les de diafragma: molta més pressió, oi ?), En aquesta bomba, dos rotors amb forma de rodes dentades idèntiques encaixen perfectament, un dels quals és propulsat mentre l'altre és un rotor conduït que gira en funció del primer.
- Engranatges interns: bomba d'engranatges diferent,un engranatge més petit gira entorn un d'exterior.
- De lòbuls,molt usades, de principi de funcionament similar a les d'engranatges. No arriba a pressions tan elevades perquè l'encaix entre els lòbuls que no és tan ajustat.

En el següent vídeo veuràs la simulació de funcionament d'una bomba de lòbuls. Bomba de lòbuls

Finalment tenim les de cargols (més d'un), que giren sobre ells mateixos i van generant cavitats que apropen el producte a la sortida.

Bombes de desplaçament positiu: rotatives amb un rotor.

Ens faltava l'última de les branques de la classificació: les rotatives amb un sol rotor.

Com veus és qüestió d'inventiva. Molts dels sistemes que se t'acudeixin ja s'han inventat i patentat. Les que ara veurem s'empren amb assiduïtat, no en totes les indústries, però hi ha sectors on s'usen gairebé més que les centrífugues.

Entre les més emprades tenim les de paletes, en les seves diferents formes. En el cas de les de paletes lliscants, el rotor es mou excèntricament en un estator simètric o centrat en un estator asimètric. Un estator asimètric el tenen també les de paletes flexibles, de manera que es produeix el tancament per l'acostament entre paletes i estator en els dos casos. En el segon, el rotor ha de ser de material elàstic .

En les de tub flexible o peristàltiques, que s'usen molt en productes farmacèutics i alimentació, un rotor pressiona sobre el tub que és flexible i desplaça el fluid. Tenen l'avantatge que el producte només toca el tub i mo entra en contacte amb cap altra part de la bomba. Per a processos higiènics i estèrils, i fins i tot en productes agressius amb tubs ben seleccionats, és molt adequada. No funciona contra grans pressions per la flexibilitat del tub, però és adequada per a cabals petits i és molt precisa com dosificadora, a pressions moderades.

Finalment les d'un sol cargol sense fi, conegudes com de cavitat progressiva, tenen un rotor dur de metall que gira excèntricament en un estator amb material elàstic i resistent a l'abrasió. Són ideals per a fluids viscosos i tenen una elevada capacitat de transport.

Clica sobre les diapositives de sota per veure diferents tipus de bombes:

rotarives_1rotor.swf

En el següent vídeo veuràs la simulació de funcionament d'una bomba peristàltica.   http://www.youtube.com/watch?v=PVxVKeQ5flg

En el següent vídeo veuràs la simulació de funcionament d'una bomba de cavitat progressiva .  http://www.youtube.com/watch?v=vNYm2_0zGNA

AUTOAVALUACIÓ
Fes ara l'autoavaluació B ciclant aquí sobre.

Comprovaràs si has entès les bombres rotatives. Després ja podràs passar de pàgina.

Altres classificacions.

Hem vist, en els apartats anteriors, la classificació de bombes segons el mecanisme d'impulsió. Però no tot s'acaba aquí. Encara que totes les bombes obeeixen a aquests principis, es classifiquen de moltes maneres segons l'ús quese'n vagi a fer.

Bombes verticals i horitzontals.

Què vol dir bomba vertical o horitzontal? Es refereix a la posició de l'eix de la bomba, és a dir l'eix al voltant del qual gira el rotor tant de les rotodinámiques com de les rotatives.

Si la bomba és horitzontal, el que passa en la majoria d'aplicacions de planta química, l'eix de gir està en el pla horitzontal. Les fotografies que has vist en apartats anteriors corresponen a aquests tipus de bombes . Si, en canvi , l'eix de gir està en el pla vertical (perpendicular al terra), tenim una bomba vertical. Moltes d'aquestes bombes serveixen per introduir-les en tancs, dipòsits i fins i tot bidons i poder aspirar el producte evitant el problema de l'encebat. No totes les bombes poden anar en posició vertical, ja que el seu disseny no ho permet.

Es poden utilitzar les rotodinámiques , centrífugues o axials. Un cas típic són les mixtes amb rodet obert, d'hèlix. S'usen tant les monoetapa com les multietapa. Les monoetapa solen ser submergibles, i les multietapes poden ser-ho o no. Pot anar submergida només la part de la bomba o també incloure el motor .

També s'empren bastant les bombes de cargol simple, o de cavitat progressiva, que poden ser de rotor i estator molt llargs per extreure productes viscosos. A la resta de bombes, el seu ús habitual és del tipus horitzontal.

Bombes magnètiques i encapsulades. Ja vam veure amb les vàlvules i hem esmentat amb les bombes, que la zona d'ajust entre l'eix mòbil i la part fixa de la bomba tenen un mecanisme que ha de permetre el gir però alhora ha de tancar bé perquè no hagin pèrdues de producte. Especialment important és aquest tancament a les bombes, en què el gir de l'eix és continu i a elevada velocitat.

El tancament hermètic és difícil i fins i tot hi ha bombes en les que el propi producte actua de lubricant del mecanisme i, per tant, hi ha sortida d'aquest a l'exterior. Això s'evita, com hem vist, amb el segell mecànic, que perd molt menys , i que té components que són autolubricants.

Ara bé, en plantes on els productes són tòxics, corrosius o inflamables, l'ús d'un mecanisme d'arrossegament magnètic, sense un eix que entri a la zona de la bomba, permet treballar sense mecanisme d'ajust: ni segells mecànics ni empaquetadures, assegurant un tancament perfecte (no hi ha cap forat a tancar), el que dóna lloc també a un menor manteniment. Les bombes d'aquests tipus solen ser les centrífugues, per a cabals elevats, i d'engranatges, per desplaçament positiu.

DESTACAT
El funcionament de les bombes magnètiques es basa en que l'eix del motor i el de la bomba no estan connectats directament. Un imant extern està unit a l'eix del motor i impulsa un imant intern unit al rotor a través d'una càmera tancada (acoblament magnètic). Els imants són multipols per poder controlar millor el gir perquè sigui més homogeni.

 I les bombes encapsulades, què són? Són una altra solució per evitar problemes de sortida de producte pel segell mecànic i l'estopada. Són bombes que tanquen en un recipient (càpsula) el motor i la bomba. Així cap a l'exterior només surt el cable elèctric i no hi ha peces en moviment. Poden ser metàl·liques per treballar amb dissolvents. Cal anar amb compte amb la refrigeració del motor, a l'estar tancat. El mateix producte transportat actua refrigerant però cal tenir en compte els problemes de corrosió.

AUTOAVALUACIÓ
Fes ara l'autoavaluació C ciclant aquí sobre.

Comprovaràs si has entès les formes de classifcar les bombres.

Un cop acabis, has de fer les intervencions al fòrum de "Bombes Casolanes".

Després ja podràs passar de tema.