Bomba hidráulica

La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes en el siglo III a. C. y se conoce como tornillo de Arquímedes, aunque un sistema parecido había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII a. C.[1]

En el siglo XII, Al Jazarí describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo bombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua y bombas de desplazamiento positivo.[2][3]

Molino de viento abandonado conectado a una bomba de agua con depósito de agua en primer plano

Examinar los registros de reparación de bombas y el tiempo medio entre fallos (MTBF) es de gran importancia para los usuarios de bombas responsables y concienciados. En vista de ello, el prefacio del Manual del usuario de bombas 2006 alude a las estadísticas de "averías de bombas". Por comodidad, estas estadísticas de fallos se traducen a menudo en MTBF (en este caso, vida útil instalada antes del fallo).[6]

A principios de 2005, Gordon Buck, ingeniero jefe de John Crane Inc. para operaciones de campo en Baton Rouge, Luisiana, examinó los registros de reparación de varias refinerías y plantas químicas para obtener datos significativos sobre la fiabilidad de las bombas centrífugas. Se incluyeron en el estudio un total de 15 plantas en funcionamiento con casi 15 000 bombas. La más pequeña de estas plantas tenía unas 100 bombas; varias plantas tenían más de 2000. Todas las instalaciones estaban situadas en Estados Unidos. Además, se consideraban "nuevas", otras "renovadas" y otras "establecidas". Muchas de estas plantas -pero no todas- tenían un contrato de alianza con John Crane. En algunos casos, el contrato de alianza incluía la presencia in situ de un técnico o ingeniero de John Crane Inc. para coordinar diversos aspectos del programa.

Sin embargo, no todas las plantas son refinerías y los resultados son diferentes en otros lugares. En las plantas químicas, las bombas han sido históricamente artículos de "usar y tirar", ya que el ataque químico limita su vida útil. Las cosas han mejorado en los últimos años, pero el espacio algo restringido disponible en los "antiguos" prensaestopas DIN y ASME limita el tipo de cierre que cabe. A menos que el usuario de la bomba mejore la cámara de sellado, la bomba sólo admite versiones más compactas y sencillas. Sin esta mejora, la vida útil en instalaciones químicas suele rondar entre el 50% y el 60% de los valores de refinería.

El mantenimiento no programado suele ser uno de los costes de propiedad más significativos, y los fallos de cierres mecánicos y cojinetes se encuentran entre las principales causas. Tenga en cuenta el valor potencial de seleccionar bombas que cuestan más inicialmente, pero duran mucho más entre reparaciones. El MTBF de una bomba mejor puede ser de uno a cuatro años mayor que el de su homóloga no mejorada. Hay que tener en cuenta que los valores medios publicados de averías de bombas evitadas oscilan entre 2600 y 12 000 dólares. Esto no incluye los costes de oportunidad perdidos. Se produce un incendio en una bomba por cada 1000 averías. Tener menos fallos de bombas significa tener menos incendios destructivos de bombas.

Como ya se ha señalado, una avería típica de una bomba, basada en informes reales del año 2002, tiene un coste medio de 5000 dólares. Esto incluye costes de material, piezas, mano de obra y gastos generales. Prolongar el MTBF de una bomba de 12 a 18 meses ahorraría 1.667 dólares al año, lo que podría ser mayor que el coste de mejorar la fiabilidad de la bomba centrífuga.[6][7][8]

Para el correcto funcionamiento de las bombas rotodinámicas se necesita que estén llenas de fluido incompresible, es decir, de líquido, pues en el caso estar llenas de fluido compresible (cualquier gas como el aire) no funcionarían correctamente.

El cebado de la bomba consiste en llenar de líquido la tubería de aspiración succión y la carcasa de la bomba, para facilitar la succión de líquido, evitando que queden bolsas de aire en el interior. Al ser necesaria esta operación en las bombas rotodinámicas, se dice que no tienen capacidad autocebante. Sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo son autocebantes, es decir, aunque estén llenas de aire son capaces de llenar de fluido el circuito de aspiración.

Esquema de una bomba instalada por encima del nivel de agua.

En un circuito como el mostrado en el esquema adjunto sin ningún dispositivo adicional, al detener la bomba centrífuga el fluido del circuito de aspiración cae hacia el depósito vaciándose la bomba por el vacío creado por el circuito primario.

La altura de elevación ${\displaystyle H}$ que proporciona la bomba es siempre la misma y responde a la siguiente fórmula:

${\displaystyle H={P_{I}-P_{A} \over \rho g}}$

donde ${\displaystyle P_{I}}$ es la presión de impulsión, ${\displaystyle P_{A}}$ es la presión de aspiración, ${\displaystyle \rho }$ es la densidad del fluido y ${\displaystyle g}$ la aceleración de la gravedad.

Despejando la diferencia de presiones se tiene que:

${\displaystyle (P_{I}-P_{A})={\rho \ g\ H}}$

De esta fórmula se puede observar que la diferencia de presiones que consigue la bomba entre la impulsión y la aspiración es mayor cuanto mayor sea la densidad del fluido a mover. De tal forma que para el caso concreto del agua se tiene:

${\displaystyle (P_{I}-P_{A})_{aire}={\rho _{aire}\ g\ H}=1,29\cdot 9,81\cdot H}$

${\displaystyle (P_{I}-P_{A})_{agua}={\rho _{agua}\ g\ H}=1000\cdot 9,81\cdot H}$

Con lo cual:

${\displaystyle {(P_{I}-P_{A})_{aire} \over (P_{I}-P_{A})_{agua}}={\rho _{aire} \over \rho _{agua}}={1,29 \over 1000}=0,00129}$

Es decir, si la bomba está llena de aire la presión de aspiración es 0,00129 veces la que conseguiría dicha bomba si estuviese llena de agua, es decir, si estuviese cebada. Por lo que si la bomba está vacía la altura que se eleva el agua en el circuito de aspiración sobre el nivel del agua en el depósito es mínima y totalmente insuficiente para que el agua llegue a la bomba.

Por otra parte el funcionamiento de una bomba centrífuga en vacío puede estropear el sellado de la bomba debido a una deficiente refrigeración dado que no circula fluido por su interior que ayuda a mejorar la disipación del calor producido por la bomba.

Por lo tanto en instalaciones de bombeo cuyo esquema coincide con el indicado en el esquema adjunto es necesario un sistema adicional para evitar que la bomba se descebe. Algunos de estos sistemas se enumeran a continuación:

• Se puede construir un orificio en la parte superior de la carcasa de la bomba y arrojar agua sobre el mismo para que la bomba al encenderse esté llena de agua y pueda bombear correctamente. No se trata de un sistema muy eficiente.
• Se puede usar una válvula de pie (Válvula antirretorno). Permite el paso del líquido hacia la bomba pero impiden su regreso al depósito una vez se ha apagado la bomba con lo que impide el descebe de la tubería de impulsión. Puede presentar problemas cuando el fluido tiene suciedad que se deposita en el asiento de la válvula disminuyendo su estanqueidad, por otra parte supone una pérdida de carga más o menos importante en la tubería de impulsión por lo que aumenta el riesgo de que se produzca cavitación en la bomba.
• Uso de una bomba de vacío. La bomba de vacío es una bomba de desplazamiento positivo que extrae el aire de la tubería de impulsión y hace que el fluido llegue a la bomba centrífuga y de este modo quede cebada.
• Por último otra posibilidad consiste en instalar la bomba bajo carga, es decir por debajo del nivel del líquido, aunque esta disposición no siempre es posible, a no ser que se instale sumergida, con lo cual la bomba tiene que ser especial.

Bomba de engranajes.

Bomba de engranajes.

Bomba de engranajes.

Las bombas precisan de sellos hidráulicos para impedir que los fluidos que están siendo impulsados salgan al exterior de la máquina a través de la vía de transmisión de movimiento desde el motor a los internos móviles de la bomba.

En el campo del refino de petróleo y de la petroquímica existen sellos mecánicos de bombas estandarizados por API (American Petroleum Institute) que, aunque se trata de una asociación estadounidense, son de aplicación en todo el mundo. Cada tipo de sello recibe el nombre de PLAN API. Estos sellos pueden ser simples o dobles y, además, pueden disponer o no de un sistema de refrigeración.

También existe una clasificación de sellos de bombas según ANSI.

A continuación se incluye la equivalencia API - ANSI de los sistemas de sellado o planes más utilizados:[9]

• PLAN API 11 (ANSI PLAN 7311)
• PLAN API 12 (ANSI PLAN 7312)
• PLAN API 21 (ANSI PLAN 7321)
• PLAN API 22 (ANSI PLAN 7322)
• PLAN API 31 (ANSI PLAN 7331)
• PLAN API 41 (ANSI PLAN 7341)
• PLAN API 13 (ANSI PLAN 7313)
• PLAN API 23 (ANSI PLAN 7323)
• PLAN API 32 (ANSI PLAN 7332)
• PLAN API 62 (ANSI PLAN 7362)
• PLAN API 52 (ANSI PLAN 7352)
• PLAN API 53 (ANSI PLAN 7353)
• PLAN API 54 (ANSI PLAN 7354)

• Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre bombas hidráulicas.
• Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre bomba.
• Bombas.
• Bombas y compresores.
• Bombas de desplazamiento Positivo.
• Animación flash de una bomba de lóbulos dobles.
• Animación flashlash de una bomba de lóbulos triples.
• Imagen y vídeo del funcionamiento de una bomba de lóbulos.
• Funcionamiento de las bombas de engranajes externos.
• Tipos de bombas de agua, mantenimiento y su funcionamiento.