Bombas hidráulicas: funcionamiento, cavitación y tipos

Una instalación hidráulica cuenta con numerosos elementos que permiten su correcto funcionamiento, como pueden ser tuberías, válvulas, bombas, turbinas o medidores. En función del objetivo con el que se vaya a diseñar la instalación se incluirán unos u otros elementos de los que se deberá escoger el tipo, material, tamaño, etc.

Ahora bien, ¿Cómo funciona cada uno de ellos, qué tipos hay y qué es importante tener en cuenta para un diseño óptimo de la instalación? En este artículo se va a hacer un breve repaso de uno de estos elementos: las bombas hidráulicas.

1. Objetivo y funcionamiento

Una bomba es un tipo de máquina hidráulica que permite el movimiento de un fluido incomprensible mediante la aceleración del mismo.

Existen distintos tipos de bombas, pero el fundamento de operación es similar para todas: la variación de la presión del fluido entre la brida de aspiración e impulsión. En primer lugar, el fluido experimenta un brusco descenso de su presión en la entrada, a continuación, se le aporta energía en el interior del equipo, lo que hace que la presión a la salida sea mayor. En la Figura 1 se puede observar el cambio de velocidad, así como los puntos de máxima y mínima presión y las posiciones de las bridas.

Figura 1. Funcionamiento de una bomba.

2. Cavitación

Cuando se diseña o se selecciona una bomba se ha de tener en cuenta el fenómeno de la cavitación.

La cavitación se produce cuando la presión antes de entrar en el rotor es menor a la presión de vapor del fluido. Esto provoca la evaporación del mismo en forma de pequeñas burbujas, las cuales se condensan rápida y violentamente unos instantes después cuando la presión aumenta drásticamente. Este fenómeno puede tener graves consecuencias mecánicas por lo que ha de ser evitado.

Para evaluar las condiciones de cavitación y poder evitarlas se han de conocer la NPSH (carga neta positiva de succión) requerida y disponible.

Por un lado, la NPSH requerida es la presión mínima que se ha de aportar al líquido en la brida de aspiración para que no se produzca dicho fenómeno de cavitación, es decir, que no baje por debajo de la presión de vapor del líquido. Esta depende del diseño de la bomba y de la velocidad del rotor, y se puede ver influenciada por el flujo de líquido si este desciende demasiado.

Por otro lado, la NPHS disponible es la presión que se da en el punto de funcionamiento de la bomba en las condiciones de trabajo una vez instalada. Esta depende de las características del fluido y de la ubicación de la bomba en la instalación. La NPSH disponible ha de ser mayor que la requerida para que no se produzca cavitación.

3. Tipos de bombas hidráulicas

Existen diversos tipos de bombas, pero a continuación se van a exponer dos de los más utilizados: Las bombas centrífugas y las bombas de desplazamiento positivo.

• 3.1. Bombas centrífugas.

La bomba centrífuga está formada por dos elementos: el impulsor y la carcasa.

Por un lado, el impulsor es el elemento encargado de aportar energía al fluido, el cual está compuesto por una serie de álabes que se utilizan para impulsarlo. Por otro lado, este conjunto se encuentra en el interior de la carcasa donde se produce el movimiento rotatorio, el aporte de energía y la variación de presiones. Básicamente, el fluido entra por el impulsor y este es acelerado debido al aporte de energía, dirigiéndolo desde el centro a la periferia, dándose también el mencionado aumento de presión. A continuación, el fluido sale al perímetro de la carcasa, donde se reduce su velocidad a causa del aumento de la sección [98]. Esta es la transformación de energías que se produce en su interior:

Energía mecánica rotacional (por rotor) → Energía cinética (agua) → Aumento de la presión en la salida (por aumento de la sección) → Vencimiento de la resistencia del sistema.

En la siguiente figura se indican los elementos que forman una bomba centrífuga:

Figura 2. Partes de una bomba centrífuga.

Es muy importante destacar que el impulsor ha de estar cebado (inundado dese la toma hasta la línea media del impulsor) antes de arrancar el dispositivo para que funcione. Además, una vez arrancada, la bomba no se puede descender de un flujo mínimo, pues se detendría la corriente de líquido.

Funcionamiento de una bomba centrífuga y concepto de cavitación:

• 3.2. Bombas de desplazamiento positivo.

Una bomba de desplazamiento positivo es aquel dispositivo que permite el desplazamiento de un líquido mediante la reducción del volumen del mismo de forma alternativa o periódica. Esta reducción del volumen provoca un aumento de la presión en el fluido y, por lo tanto, un aumento de su energía y su movimiento.

Se pueden distinguir dos grupos. Por un lado, se encuentran las bombas rotativas, que son las que logran el movimiento del líquido mediante una acción de rotación. Además, se pueden encontrar múltiples configuraciones dentro de este tipo de turbomáquina: engranajes, lóbulos, tornillo, palas, peristálticas o multifase.

Figura 3. Bombas de desplazamiento positivo rotativas: bomba peristáltica de tubo flexible (a), bomba rotatoria de tres lóbulos (b), bomba de engranajes (c) y bomba de doble tornillo (d).

Por otra parte, existen las bombas reciprocantes o alternativas. Estas basan su funcionamiento en la variación de la presión dentro de una cámara mediante el movimiento de uno o varios émbolos o diafragmas, que llevan el líquido desde una cavidad de aspiración (acción de succión) a una de descarga (acción de compresión).

A continuación, se muestran las partes de una bomba alternativa de émbolo y el funcionamiento de la misma.

Figura 4. Bomba de desplazamiento positivo alternativa de émbolo de una cámara.

Subida del émbolo/diafragma → Fuerza de succión → Disminuye la presión → Entrada del líquido en la cámara → Bajada del émbolo → Fuerza de compresión → Aumento de la presión y de la energía del líquido y reducción de su volumen → Salida del líquido de la cámara.

Funcionamiento y tipos de bombas desplazamiento positivo:

4. Aplicaciones

Finalmente, para concluir se recogen algunas de las principales aplicaciones que tienen este tipo de bombas.

Por un lado, las bombas centrífugas se aplican principalmente para el desplazamiento de líquidos de baja o media viscosidad, a presiones de trabajo moderadas y caudales altos. Algunas de las industrias en las que se aplican son las de tratamiento y potabilización de aguas, desalinización, química, alimentaria, farmacéutica, cosmética o minería, entre otras muchas.

Por otro lado, las bombas de desplazamiento positivo son más apropiadas para tratar caudales de mayor viscosidad a caudales constantes, como pueden ser aguas residuales o hidrocarburos. Por ello se suelen aplicar en industrias como las de tratamiento de aguas residuales o la petroquímica.

5. Bibiliografía

[1] E. Pérez Farrás, Selección fina de bombas. Buenos Aires: Universidad de Buenos Aires., 2005.

[2] W. J. Villarreal López, Diseño de un banco para ensayo de bombas en serie y paralelo. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente, 2008.

[3] J. P. Restrepo Ramírez, «Banco de Prueba para Bombas de Desplazamiento Positivo», Universidad de los Andes, 2002.

[4] B. Zamora Parra y A. Viedma Robles, Máquinas Hidráulicas. Teoría y Problemas. Cartagena: rai UPCT, 2016.