Bombas volumétricas alternativas

Este tipo de bombas se utilizan para fluidos que no manifiestan significativamente su compresibilidad. La máquina procesa el fluido con un volumen de control variable a lo largo del tiempo y de manera periódica. El trabajo se intercambia estáticamente con la máquina, sobre superficies en movimiento.

Las bombas volumétricas pueden ser:

• Alternativas
• Rotativas

en función de si el movimiento es transmitido por una parte mecánica de manera alternativa o rotativa.

La cantidad de fluido desplazado depende de distintos factores.
m_t : masa teórica del fluido desplazado (depende del volumen de la cámara en la que entrará el fluido)
λ_v : coeficiente de llenado volumétrico, resultado de la relación entre masa de fluido aspirada m_a  y masa teórica m_t
λ_p : coeficiente de pérdida, resultado de la relación entre masa de fluido en impulsión m_m y masa aspirada m_a

Por lo tanto, el rendimiento final de masa de fluido en impulsión es:

η_v eficiencia volumétrica, producto de λ_v * λ_p.

Las bombas volumétricas alternativas son normalmente bombas de émbolo y pueden ser clasificadas en base al tipo de émbolo:

• Buzo
• Disco o membrana

También pueden subdividirse en:

• efecto único (el ciclo completo comprende una aspiración y una impulsión);
• efecto doble (para cada ciclo se producen, de modo alterno, dos aspiraciones y dos impulsiones).

CICLO DE TRABAJO

Se describe el ciclo de trabajo ideal de una bomba volumétrica alternativa asumiendo que no hay fugas de ningún tipo dentro de la misma bomba.

Fase 1-2: el fluido es aspirado dentro de la cámara
Fase 2-3: se produce una compresión instantánea
Fase 3-4: el fluido es empujado a través del conducto de impulsión
Fase 4-1: expansión instantánea (fase de descompresión)

En realidad el ciclo es de este tipo:

Como se puede ver en la figura, el ciclo real se desvía del ciclo ideal debido a algunos fenómenos que no se pueden descuidar.

En particular:

• En las fases de aspiración e impulsión el volumen fluctúa debido a posibles fugas entre las distintas partes mecánicas y porque la apertura/cierre de las válvulas no es inmediata.
• En las fases de compresión y expansión se observa una caída de presión porque, a pesar de que no lo hace de manera significativa, el fluido manifiesta su compresibilidad. Además, puede haber gases disueltos en su interior o burbujas de aire que contribuyen a comprimir el volumen.
• Al ser una máquina alternativa, la velocidad del fluido en los conductos cambia repentinamente provocando picos de presión continuos.

Existen soluciones que pueden limitar estos efectos:

• Para evitar el problema de las burbujas de aire, es suficiente desgasificar el fluido y mantener los tubos de aspiración llenos de la mayor cantidad de líquido posible.
• Para limitar las caídas de presión debidas a la discontinuidad del caudal de fluido, se introducen pulmones de compensación, antes y después de la bomba, que compensan esta fluctuación durante la fase de aspiración/impulsión de la misma.
• Se construyen máquinas con juntas de caucho que permiten un mejor sellado y menos fugas.

PROBLEMA DEL VOLUMEN FLOTANTE

Como ya se mencionó anteriormente, uno de los principales problemas de las bombas volumétricas alternativas es el caudal irregular.
De hecho, dado que, tanto en las bombas de pistón como en las de membrana, la parte mecánica responsable del empuje tiene un movimiento de velocidad variable en el tiempo (Vs(t)), este será también el caudal volumétrico instantáneo (Q_is) procesado por la bomba.

Para simplificar, consideremos una bomba alternativa de pistón con forma cilíndrica, con un accionamiento de manivela común.

La tendencia del caudal volumétrico a lo largo del tiempo tendrá la forma del gráfico de la figura a).

Para regular el flujo y anular los tiempos en los que el caudal baja a cero, una de las soluciones más sencillas es aumentar el número de pistones (gráfico b) y c)), o bien, aumentar los efectos del pistón único (gráfico b), bomba monocilindro de doble efecto.

Usando una bomba de varios cilindros o de doble efecto disminuyen los problemas causados por las pulsaciones en un sistema de bombeo.

CAJAS DE AIRE

Para regular el caudal volumétrico, se utilizan pulmones de compensación a lo largo de las líneas de aspiración e impulsión.
Estos se llenan hasta la mitad con fluido de trabajo, mientras la parte superior contiene gas (a menudo aire).

Haciendo referencia a los gráficos correspondientes al desarrollo del caudal, durante el ciclo del pistón se producen dos fases:

• Cuando Q_is supera el caudal medio (marcado como en el gráfico), el depósito se llena.
• Cuando Q_is desciende por debajo del caudal medio, el depósito devuelve este fluido acumulado.

De este modo en los conductos hay un caudal aproximadamente constante.

Este mecanismo se acelera gracias al gas contenido en el pulmón, que al comprimirse y expandirse atenúa la pulsación del flujo de líquido.