I. Definición y descripción general de bombas
Una bomba, como dispositivo mecánico muy utilizado en diversos campos, tiene como función principal transportar fluidos (como agua, aceite, etc.) de un lugar a otro. Con el accionamiento de la bomba, los fluidos pueden completar de manera eficiente y estable la tarea de transporte, satisfaciendo diversas necesidades de producción y de vida.
Una bomba es un dispositivo mecánico que se utiliza para transportar diversos líquidos. Su ámbito de aplicación es amplio y abarca agua, aceite, soluciones ácidas y alcalinas, emulsiones, suspensiones, metales líquidos, etc. Además, las bombas de aceite de engranajes también pueden transportar mezclas de gases líquidos-y líquidos que contienen sustancias sólidas suspendidas.
Las bombas se pueden clasificar en tres categorías principales según sus principios de funcionamiento: bombas de desplazamiento positivo, bombas de impulsor y otros tipos de bombas. Vale la pena señalar que la clasificación de las bombas sumergibles es más diversa. Además de clasificarse según el principio de funcionamiento, también se pueden clasificar y nombrar según el método de conducción, la estructura, el propósito y la naturaleza del líquido que se transporta.
Existen cambios interdependientes complejos entre varios parámetros de rendimiento de la bomba, y estas relaciones se pueden mostrar intuitivamente a través de curvas características. Cada bomba tiene su propia curva característica única, que refleja sus características de rendimiento específicas. Como dispositivo mecánico para transportar líquidos o aumentar la presión de los líquidos, la bomba transfiere la energía mecánica del motor primario u otra energía externa al líquido, logrando así un aumento en la energía del líquido.
II. Definición y origen histórico de la bomba
Una bomba, un dispositivo mecánico para transportar líquidos o aumentar la presión de los líquidos, tiene una historia que se remonta a la antigüedad. A grandes rasgos, una bomba no sólo se utiliza para transportar fluidos sino que también incluye ciertos dispositivos mecánicos diseñados específicamente para transportar gases. Al transferir la energía mecánica del motor primario o la energía de otras fuentes al líquido, la bomba logra un aumento en la energía del líquido.
La creciente demanda de elevación de agua por parte de los humanos llevó a la aparición de varios dispositivos de elevación de agua. Por ejemplo, la bomba de cadena en Egipto se inventó alrededor del 1700 a. C., mientras que China tenía antiguas herramientas para levantar agua, como palancas, molinetes y ruedas hidráulicas. En la antigua Grecia, Arquímedes inventó la varilla roscada en el siglo III a. C., sentando las bases para la tecnología de bombas posterior.
Con el tiempo, el antiguo artesano griego Ktesibius inventó la primitiva bomba de pistón - la bomba extintora de incendios - alrededor del año 200 a.C. Luego, en 1588, hubo un registro de la bomba de paletas deslizantes de 4 palas, lo que marcó el desarrollo inicial de la bomba rotativa. En 1689, D. Papan de Francia innovó aún más e inventó la bomba centrífuga de voluta con impulsores de 4 palas.
En el siglo XVIII surgieron sucesivamente en Estados Unidos las bombas centrífugas de álabes rectos radiales, los impulsores y volutas semi{1}}abiertos de doble aspiración-, así como las bombas de pistón impulsadas directamente por vapor. Estas innovaciones contribuyeron a la formación y desarrollo de la tecnología de bombas moderna.
Con el avance continuo de la tecnología, entre 1840 y 1850, HR Worsington de Estados Unidos inventó una bomba de pistón de acción directa-de vapor con el cilindro de la bomba y el cilindro de vapor colocados uno frente al otro, sentando las bases para la mejora de las bombas de pistón modernas. Y de 1851 a 1875, el nacimiento de las bombas centrífugas de etapas múltiples hizo posible el desarrollo de bombas centrífugas de alta-altura.
Desde entonces, han surgido continuamente varios tipos nuevos de bombas, cuya eficiencia ha mejorado gradualmente y la gama de campos de rendimiento y aplicación también se ha vuelto cada vez más amplia.
III. Clasificación de bombas
Las bombas, que se utilizan ampliamente en diversos campos, vienen en una amplia variedad de tipos y se clasifican de numerosas maneras. Según sus principios de funcionamiento, las bombas se pueden dividir principalmente en tres categorías:
Primero, está la bomba de desplazamiento positivo, también conocida como bomba de impulsor o bomba de paletas. Este tipo de bomba utiliza un impulsor giratorio para aplicar fuerza al líquido, transfiriendo energía continuamente al líquido y aumentando su energía cinética y presión. Posteriormente, la energía cinética se convierte en energía de presión a través de la cámara de descarga. Las bombas de desplazamiento positivo incluyen bombas centrífugas, bombas de flujo axial, bombas de flujo parcial y bombas de vórtice, entre otras.
El siguiente tipo es la bomba volumétrica. Este tipo de bomba transmite energía cambiando periódicamente el volumen del espacio de trabajo sellado, aumentando así la presión del líquido y obligando a descargarlo. Las bombas volumétricas se pueden clasificar además en bombas alternativas y bombas rotativas según la forma de movimiento de los elementos de trabajo.
Además, existen otros tipos de bombas que transfieren energía de formas únicas. Por ejemplo, las bombas de chorro dependen del chorro de alta-velocidad del fluido de trabajo para aspirar y mezclar el fluido que se va a transportar, logrando la transferencia de energía mediante el intercambio de impulso; las bombas de diafragma y las bombas de golpe de ariete utilizan el efecto de golpe de ariete durante el frenado para transferir energía; mientras que las bombas electromagnéticas logran el transporte de fluidos a través del flujo de metal líquido bajo la influencia de una corriente eléctrica y una fuerza electromagnética.
Además, las bombas se pueden clasificar según las propiedades del líquido que se transporta, el método de accionamiento, la estructura y el propósito.
IV. Aplicaciones de bombas en diversos campos
La gama de rendimiento de las bombas es amplia y abarca desde bombas gigantes con un caudal de varios cientos de miles de metros cúbicos por hora hasta bombas en miniatura con un caudal de menos de varios decilitros por hora; su rango de presión también puede variar desde presión normal hasta 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) o más. Además, también difieren la temperatura y el tipo del líquido que se transporta, como agua (agua limpia, aguas residuales, etc.), aceites, ácidos y bases, suspensiones, metales líquidos, etc.
En la producción de los sectores químico y petrolero, las bombas desempeñan un papel crucial. Dado que las materias primas, los productos semiacabados y los productos terminados son en su mayoría líquidos, en estos procesos complejos, las bombas no solo transportan los líquidos sino que también proporcionan la presión y el flujo necesarios para las reacciones químicas. Al mismo tiempo, también se utilizan en muchos dispositivos para regular la temperatura.
En la producción agrícola, las bombas son la principal maquinaria de riego y drenaje. Las zonas rurales de nuestro país son enormes y cada año se necesita una gran cantidad de bombas para apoyar la producción agrícola. En términos generales, las bombas agrícolas representan la mitad de la producción total de bombas.
Las industrias minera y metalúrgica también son campos de aplicación importantes para las bombas. En estas industrias, procesos como el drenaje de minas, el procesamiento de minerales, la fundición y la laminación requieren el apoyo de bombas.
En el sector energético, ya sea una central nuclear o una central térmica, las bombas desempeñan un papel crucial. Las centrales nucleares necesitan bombas principales, bombas secundarias y bombas terciarias para garantizar el funcionamiento estable de las reacciones nucleares; mientras que las centrales térmicas dependen de una gran cantidad de bombas de alimentación de calderas, bombas de condensado, bombas de circulación y bombas de escorias y cenizas para mantener el funcionamiento normal de la central eléctrica.
La construcción de defensa tampoco puede prescindir del uso de bombas. El ajuste de los flaps, timones y trenes de aterrizaje de los aviones, la rotación de las torretas de los buques de guerra y de los tanques, así como la inmersión y el ascenso de los submarinos, requieren bombas para proporcionar la potencia y las funciones de ajuste necesarias. Además, para ciertos líquidos radiactivos y de alta-presión durante el transporte y la manipulación, el requisito de funcionamiento sin fugas-de la bomba es extremadamente alto.
En la industria de la construcción naval, se utilizan cientos de tipos diferentes de bombas en cada buque transoceánico-. Desde las bombas de hélice que impulsan el barco hasta varias bombas que mantienen el ambiente de los camarotes del barco, todas son indispensables. Además, los sistemas de suministro y drenaje de agua en las ciudades, el agua utilizada por las locomotoras de vapor, la lubricación y refrigeración de las máquinas herramienta, el transporte de tintes en la industria textil y el transporte de productos lácteos y azucareros en la industria alimentaria, todos dependen del apoyo de bombas.
En conclusión, las bombas son omnipresentes en diversos campos, incluido el aeroespacial, el equipamiento militar, la producción industrial y la vida cotidiana, y desempeñan un papel indispensable. Por ello, las bombas se clasifican como maquinaria general y se convierten en un producto indispensable e importante en la industria mecánica.
V. Parámetros básicos de las bombas
Las bombas, como componente importante de la maquinaria general, su rendimiento afecta directamente la eficiencia operativa en diversos escenarios de aplicación. Para comprender completamente el rendimiento de las bombas, primero debemos centrarnos en varios parámetros básicos clave. Estos parámetros no sólo reflejan las características inherentes de las bombas sino que también proporcionan una guía crucial para su selección y aplicación.
1. Caudal Q
El caudal es un indicador importante para medir cuánto líquido puede transportar una bomba en una unidad de tiempo, generalmente expresado en términos de volumen o masa. El caudal volumétrico se denota por Q, y sus unidades incluyen m3/s, m3/h y l/s, etc. Mientras que el caudal másico se representa por Qm, y sus unidades son t/h, kg/s, etc. La relación entre estos dos se puede establecer mediante la fórmula Qm=ρQ, donde ρ representa la densidad del líquido. Para el agua a temperatura normal, su densidad ρ es aproximadamente 1000 kg/m3.
2. Cabeza H
La altura se refiere al aumento de energía en una unidad de peso de líquido después de que la bomba lo bombea, desde la entrada de la bomba (es decir, la brida de entrada de la bomba) hasta la salida (es decir, la brida de salida de la bomba). Esto equivale a la energía efectiva que gana un Newton de líquido al pasar por la bomba. Su unidad es N·m/N, que también se conoce comúnmente como metros. Representa la altura de la columna de líquido que bombea la bomba, y por eso también se llama simplemente metros.
3. Velocidad de rotación norte
La velocidad se refiere al número de rotaciones del eje de la bomba dentro de una unidad de tiempo, generalmente indicada por el símbolo n, y su unidad es revoluciones por minuto (r/min).
4. Margen del cabezal de succión
El margen de la cabeza de succión, también conocido como cabeza de succión neta positiva, es un parámetro clave para medir el rendimiento de la cavitación. En China, este parámetro estaba representado anteriormente por Δh.
5. Potencia y eficiencia
La potencia de una bomba generalmente se conoce como potencia de entrada, que es la potencia transferida desde el motor primario al eje de la bomba y también se conoce como potencia del eje, denotada por P. La potencia efectiva de la bomba, o la potencia de salida, está representada por Pe, y mide la energía efectiva obtenida por el líquido que se descarga de la bomba en una unidad de tiempo.
Vale la pena señalar que la cabeza representa precisamente esta energía efectiva. Específicamente, la altura se refiere a la energía efectiva que recibe una unidad de líquido pesado cuando se bombea fuera de la bomba. Por tanto, multiplicando la altura, el caudal másico y la aceleración gravitacional, podemos calcular la energía efectiva que adquiere una unidad de salida de líquido de la bomba en un tiempo determinado, que es la potencia efectiva de la bomba:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Entre ellos, ρ representa la densidad del líquido bombeado por la bomba (kg/m³), es el peso específico del líquido bombeado por la bomba (N/m³), Q es el caudal de la bomba (m³/s), H es la altura de la bomba (m) y g es la aceleración debida a la gravedad (m/s²).
La diferencia entre la potencia del eje P y la potencia efectiva Pe representa la pérdida de potencia dentro de la bomba. Para cuantificar esta pérdida, introducimos el concepto de eficiencia de la bomba, que se expresa como la relación entre la potencia efectiva y la potencia del eje y se denota por η.
VI. Definición y Conversión de Tráfico
El caudal, que es el volumen de líquido descargado por la bomba por unidad de tiempo, se denota por Q. Sus unidades incluyen metros cúbicos por hora (m3/h), litros por segundo (l/s), etc. Cabe señalar que 1 litro por segundo equivale a 3,6 metros cúbicos por hora, que también equivale a 0,06 metros cúbicos por minuto o 60 litros por minuto. Además, podemos calcular el peso bombeado por hora utilizando el caudal y la gravedad específica del líquido, denotada por G, donde ρ representa la gravedad específica del líquido. Por ejemplo, si una determinada bomba tiene un caudal de 50 metros cúbicos por hora, al bombear agua, queremos saber ¿cuánto peso se puede bombear por hora? Suponiendo que la gravedad específica del agua ρ es de 1000 kilogramos por metro cúbico, podemos calcular usando la fórmula G=Qρ, lo que da un resultado de 50 000 kilogramos por hora, o 50 toneladas por hora.
VII. Definición y conversión de cabeza.
La carga, que es la energía ganada por una unidad de peso de líquido que pasa a través de una bomba, se denota por H y se mide en metros (m). Incluye la altura de succión y es aproximadamente igual a la diferencia de presión entre la salida y la entrada de la bomba. Mientras tanto, la presión de la bomba está representada por P y se mide en Mpa (megapascales). Vale la pena señalar que existe una cierta relación de conversión entre la altura y la presión. La fórmula específica es H=P/ρ, donde ρ es la gravedad específica del líquido. Por ejemplo, cuando P es 1 kg/cm², podemos usar la fórmula para calcular que H mide aproximadamente 10 metros.
1 MPa equivale a 10 kg/cm². La altura H se puede calcular usando la fórmula H=(P2 - P1) / ρ, donde P2 representa la presión de salida, P1 representa la presión de entrada y ρ es la gravedad específica del líquido.
A continuación, discutiremos los conceptos de margen de cavitación y altura de succión, así como sus unidades de medida. La cavitación se refiere al fenómeno en el que, durante el funcionamiento de una bomba, el líquido en la entrada del impulsor genera vapor debido a la presión de vacío. Estas burbujas vaporizadas, al impactar con las partículas líquidas, provocan la erosión de las superficies metálicas, como el impulsor, dañando así estos componentes metálicos. Esta presión de vacío se conoce como presión de vaporización. El margen de cavitación, por otro lado, se refiere a la energía que posee una unidad de peso de líquido en la entrada de succión de la bomba por encima de la presión de vaporización. Se mide en metros y normalmente se denota como NPSHr.
La altura de succión, también conocida como margen de cavitación necesario Δh, es el grado de vacío al que la bomba puede aspirar líquido. Es la altura de instalación permitida para la bomba, y su unidad también es de metros. La fórmula para calcular la altura de succión es: Altura de succión=Presión atmosférica estándar - Margen de cavitación - Margen de seguridad. Entre ellos, la altura de vacío de la tubería generada por la presión atmosférica estándar es de 10,33 metros y el margen de seguridad generalmente se considera de 0,5 metros.
Por ejemplo, para una bomba determinada, su altura de succión necesaria es de 4,0 metros. Podemos utilizar la fórmula anterior para calcular su altura de succión Δh. El resultado del cálculo es: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 metros.
VIII. Fenómeno de cavitación de la bomba y sus causas
1. Definición de cavitación
Cuando un líquido alcanza una temperatura específica, su presión cae hasta la presión de vaporización correspondiente a esa temperatura. En este punto, se formarán burbujas dentro del líquido. Este fenómeno se conoce como cavitación.
2. Colapso por cavitación
Durante el proceso de cavitación, las burbujas generadas, a medida que el líquido fluye hacia el área de alta-presión, se contraerán rápidamente debido al aumento repentino de la presión y, finalmente, estallarán en el líquido. Este fenómeno se llama colapso por cavitación.
3. Causas y peligros de la cavitación
Durante el funcionamiento de la bomba, si ciertas áreas del paso de flujo (como la posición ligeramente detrás de la entrada de las palas del impulsor) experimentan una razón específica que hace que la presión absoluta del líquido que se bombea caiga por debajo de la presión de vaporización a esa temperatura, el líquido comienza a vaporizarse en este punto, formando una gran cantidad de burbujas. A medida que el líquido que contiene estas burbujas ingresa al área de alta-presión del impulsor, las burbujas se contraen rápidamente bajo la acción del líquido de alta-presión y finalmente estallan. Este proceso es particularmente evidente en las bombas sumergibles. La condensación y la ruptura de las burbujas van acompañadas del rápido llenado de los huecos por partículas líquidas a velocidades extremadamente altas, lo que resulta en un fuerte impacto de agua. Este impacto de agua golpea la superficie del metal con una alta frecuencia de impacto, con una tensión de impacto que alcanza de cientos a miles de atmósferas, y la frecuencia de impacto puede incluso alcanzar decenas de miles de veces por segundo. Las superficies de las paredes que están sujetas a tales impactos durante mucho tiempo pueden sufrir una erosión grave e incluso pueden producirse perforaciones.
4. El proceso y los efectos de la cavitación
En una bomba, la cavitación es un proceso complejo que implica la formación, desarrollo y colapso de burbujas. Cuando ciertas áreas de la sección de flujo de la bomba experimentan condiciones específicas que hacen que la presión absoluta del líquido caiga por debajo de la presión de vaporización, el líquido comienza a vaporizarse formando una gran cantidad de burbujas. Estas burbujas, cuando el líquido ingresa al área de alta-presión del impulsor, se contraen rápidamente bajo el efecto de alta-presión y finalmente se rompen. Esta serie de procesos no sólo causa graves daños a los componentes del flujo, sino que también genera ruidos y vibraciones desagradables, lo que reduce significativamente el rendimiento de la bomba. En casos severos, la cavitación puede incluso causar la interrupción del suministro de líquido en la bomba, afectando el funcionamiento normal de la bomba.
IX. ¿Cuál es la curva característica de una bomba?
La curva característica de una bomba, también conocida como curva de rendimiento, representa esencialmente la relación entre los principales parámetros de rendimiento de una bomba centrífuga. Estas curvas se obtienen mediante mediciones reales y representan visualmente el patrón de movimiento del líquido dentro de la bomba. Las curvas características incluyen las curvas de caudal y altura (Q-H), caudal y eficiencia (Q-η), caudal y potencia (Q-N), y caudal y margen de altura de vaporización (Q-NPSHr). Estas curvas son cruciales para comprender el estado de trabajo de la bomba porque para cualquier punto de caudal dado, se puede encontrar en la curva un conjunto de valores correspondientes para altura, potencia, eficiencia y margen de altura de vaporización, y este conjunto de parámetros se denomina estado de trabajo o punto de operación. En particular, el punto de funcionamiento con la mayor eficiencia de la bomba centrífuga se denomina punto de funcionamiento óptimo y, por lo general, también es el punto de funcionamiento de diseño. Comprender estos parámetros de rendimiento es crucial para garantizar el funcionamiento normal y la eficiencia de ahorro de energía-de la bomba.
11. ¿Cómo se define la eficiencia de una bomba? ¿Cuál es su fórmula?
La eficiencia de una bomba se define como la relación entre la potencia efectiva y la potencia del eje, representada por el símbolo η, y su fórmula de cálculo es η=Pe/P. Aquí, Pe representa la potencia efectiva de la bomba y P se refiere a la potencia del eje de la bomba, es decir, la potencia transmitida desde el motor primario al eje de la bomba. La potencia efectiva es el producto de la altura de la bomba, el caudal másico y la aceleración gravitacional, y su fórmula es Pe=ρg QH (en vatios), o Pe=QH/1000 (en kilovatios). Además, ρ representa la densidad del líquido transportado por la bomba, es la gravedad específica del líquido (= ρg) y g es la aceleración gravitacional. Al mismo tiempo, el caudal másico Qm se puede obtener multiplicando la densidad ρ por el caudal Q, con unidades de toneladas por hora o kilogramos por segundo.
12. ¿Qué es un banco de pruebas de pleno rendimiento para una bomba?
El banco de pruebas de rendimiento completo para bombas es un equipo avanzado capaz de probar con precisión varios parámetros de rendimiento de las bombas. Cumple con los estándares nacionales y tiene una precisión de nivel B-, lo que garantiza la exactitud de los resultados de las pruebas. Este banco de pruebas está equipado con instrumentos precisos, incluido un caudalímetro de tornillo sin fin para medir el flujo, un manómetro de precisión para medir la altura, un vacuómetro para medir la cabeza de succión y una máquina de potencia axial para medir la potencia. Además, también se utiliza un velocímetro para determinar con precisión la velocidad de la bomba. Mediante la acción colaborativa de estos instrumentos precisos, podemos obtener el conjunto completo de parámetros de rendimiento de la bomba, evaluando así de forma integral su rendimiento.
