Bomba

Una bomba es una máquina hidráulica que convierte la energía mecánica de un motor de accionamiento o energía muscular (en bombas manuales) en la energía de un flujo de fluido , que sirve para mover y crear presión para líquidos de todo tipo, una mezcla mecánica de líquidos con sustancias sólidas y coloidales o gases licuados [1] . La diferencia de presión del fluido a la salida de la bomba y la tubería conectada provoca su movimiento.

Historia

La invención de la bomba pertenece a la antigüedad. La primera bomba de pistón conocida para extinguir un incendio, que fue inventada por el antiguo mecánico griego Ctesibio , se menciona ya en el siglo I a. mi. en los escritos de Héroe de Alejandría y Vitruvio . En la Edad Media, las bombas se usaban en varias máquinas hidráulicas . Una de las primeras bombas centrífugas con carcasa de voluta e impulsor de cuatro palas fue propuesta por el científico francés D. Papin . Hasta el siglo XVIII, las bombas se usaban con mucha menos frecuencia que las máquinas elevadoras de agua (dispositivos para el movimiento de líquidos sin presión), pero con la llegada de las máquinas de vapor, las bombas comenzaron a reemplazar las máquinas elevadoras de agua. En el siglo XIX , con el desarrollo de los motores térmicos y eléctricos , las bombas se generalizaron. En 1838, el ingeniero ruso A. A. Sablukov construyó una bomba centrífuga sobre la base de un ventilador que había creado previamente y trabajó en él para crear un motor marino.

Clasificación

Una clasificación incompleta de las bombas según el principio de funcionamiento y diseño es la siguiente:

bombas centrífugas
bombas de impulsor (lamelares)
bombas de paletas (paletas)
- bomba de anillo liquido
bombas de engranajes
bombas de émbolo axial
bombas de émbolo radial
bombas centrífugas de tornillo (disco, axial diagonal)
tornillo (tornillo)
pistón
vórtice
giratorio
chorro
sinusoidal
peristáltico
membrana
absorción
bomba de ariete hidraulica
descarga magnética

Características de la bomba

Las características de la bomba son curvas que expresan las dependencias H = f1(Q); N = f2(Q); Eficiencia = f3(Q) a velocidad constante

Parámetros que caracterizan el funcionamiento de la bomba

El ramal (el punto del sistema hidráulico en el que se instala la bomba) del que la bomba extrae líquido se llama succión , el ramal al que bombea se llama presión . Las boquillas pueden estar a diferentes alturas, mientras que la bomba gasta parte de la energía en vencer la diferencia de presiones hidrostáticas entre la altura de cabeza z 1 y la altura de aspiración z 0 (también puede ser un valor negativo).

La cabeza de una bomba es el incremento de energía mecánica por unidad de masa de fluido entre su salida y su entrada. Por lo general, la medida de energía es la altura de la columna del líquido bombeado (que tiene una gravedad específica durante la aceleración de caída libre , aquí en la fórmula es la gravedad específica, no la densidad del líquido): para el -ésimo elemento fluido con presión y velocidad del fluido : $H$ $\gama$ $gramo$ $i$ $pags$ $v_{i}$

E_{i}={\frac {p_{i}}{\gamma }}+z_{i}+{\frac {v_{i}^{2}}{2g}}{\mbox{, }}

respectivamente, cabeza de la bomba:

H=E_{1}-E_{0}={\frac {p_{1}-p_{0}}{\gamma }}+(z_{1}-z_{0})+{\frac {v_{1}^{2}-v_{0}^{2}}{2g}}{\mbox{.}}

Alimentación - la cantidad de líquido suministrado por la bomba por unidad de tiempo. Se puede considerar la alimentación a granel o la alimentación volumétrica : $GRAMO$ $q$

G=\gamma Q

Potencia : consumo de energía de la bomba por unidad de tiempo. La potencia neta es el incremento de energía de todo el flujo de fluido en la bomba: . La potencia interna de la bomba es su potencia total, excluyendo las pérdidas por fricción de las partes mecánicas de la bomba, es decir, la potencia impartida al líquido en forma de energía térmica y mecánica. $norte$ ${\ Displaystyle N_ {h}}$ $\textstyle N_{h}=GH=\gamma QH$ $n_{yo}$

La relación entre la potencia útil y suministrada es la eficiencia de la bomba:

{\ estilo de visualización \ eta = {\ frac {N_ {h}} {N}}}

En este caso, se deben tener en cuenta las dimensiones de las cantidades: si, por ejemplo, la cabeza se expresa en metros y el flujo en kilogramos por segundo , entonces la potencia en kilovatios se calcula mediante la fórmula:

N [kW] =G [kg] H [m]102η [adimensional].

Las pérdidas en la bomba pueden ser hidráulicas (el costo de vencer la resistencia hidráulica dentro de la bomba), volumétricas (reducción del flujo de la bomba en comparación con el suministro del cuerpo de trabajo) y mecánicas (fricción de las partes de la bomba contra el líquido - pérdidas mecánicas internas). , su fricción entre sí en cojinetes, etc. d - externo). Se tienen en cuenta, respectivamente, por la eficiencia hidráulica η g , volumétrica η sobre y mecánica, dividida en interna y externa, η m \u003d η m i η m e . η = η g η sobre η m ; norte yo = norte η metro mi .

El exceso mínimo de altura de succión por encima de la presión de vaporización del líquido es la cantidad de energía mecánica del líquido a la entrada de la bomba, necesaria para evitar la cavitación en la bomba . El exceso de altura de succión se define como: $H_{0u~min}$ $p_{s}$

H_{{0u}}={\frac {p_{{0a}}-p_{s}}{\gamma }}+{\frac {v_{0}^{2}}{2g}}{\mbox{ ,}}

donde es la presión a la entrada de la bomba, referida al nivel del eje de la bomba. En la práctica, el valor del NPSH requerido de la bomba se toma con un cierto factor de seguridad = 1,2…1,4. La altura de succión permitida se determina teniendo en cuenta la presión en la superficie del líquido en el tanque, de donde se toma, y la resistencia (en unidades lineales) de las tuberías de succión como: ${\ Displaystyle p_ {0a}}$ $\fi$ ${\ Displaystyle p_ {b}}$ $h_{c}$

[H_{0u}]={\frac {p_{b}-p_{s}}{\gamma }}-\varphi H_{0u\mathrm {min} }-h_{c}''p_{ b}

Para recipientes abiertos : esta es la presión atmosférica , para recipientes cerrados con un líquido hirviendo . ${\ Displaystyle p_ {b}}$ $\textstyle p_{b}=p_{s}{\mbox{,))$

Clasificación de las bombas según el principio de funcionamiento

Por la naturaleza de las fuerzas que imperan en la bomba: volumétricas, en las que predominan las fuerzas de presión, y dinámicas, en las que predominan las fuerzas de inercia.

Según la naturaleza de la conexión de la cámara de trabajo con la entrada y salida de la bomba: conexión periódica (bombas de desplazamiento) y conexión permanente de entrada y salida (bombas dinámicas).

Las bombas de desplazamiento se utilizan para bombear líquidos viscosos. En estas bombas, hay una conversión de energía: la energía del motor se convierte directamente en energía del fluido (mecánica => cinética + potencial). Estas son bombas de alta presión, son sensibles a la contaminación del líquido bombeado. El proceso de trabajo en las bombas de desplazamiento positivo es desequilibrado (alta vibración), por lo que es necesario crear cimientos macizos para las mismas. Además, estas bombas se caracterizan por un suministro desigual. Una gran ventaja de tales bombas puede considerarse la capacidad de succión en seco (autocebado).

Las bombas dinámicas se caracterizan por una doble conversión de energía (1ª etapa: mecánica → cinética + potencial; 2ª etapa: cinética → potencial). Los líquidos sucios se pueden bombear en bombas dinámicas, tienen un suministro uniforme y un proceso de trabajo equilibrado. A diferencia de las bombas de desplazamiento positivo, no son autocebantes.

Bombas de desplazamiento

El proceso de las bombas volumétricas se basa en el llenado alterno de la cámara de trabajo con líquido y su desplazamiento desde la cámara de trabajo. Algunos tipos de bombas de desplazamiento positivo:

Bombas impulsoras : proporcionan un flujo laminar del producto bombeado a la salida de la bomba y pueden usarse como dispensadores. Se puede fabricar en versiones resistentes a alimentos, aceite y gasolina y resistentes a ácidos y álcalis
Bombas de paletas : proporcionan una succión uniforme y silenciosa del producto bombeado en la salida de la bomba, se pueden usar para dosificación. Pueden ser ajustables o no regulados. En las bombas de paletas variables, el cambio de caudal se realiza cambiando el volumen de la cámara de trabajo debido a un cambio en la excentricidad del rotor y del estator . Como dispositivo de control, se utilizan reguladores hidráulicos y mecánicos.
Bombas de tornillo : proporcionan un flujo suave del producto bombeado en la salida de la bomba, se pueden usar para dosificar
Las bombas de pistón pueden generar presiones muy altas, no funcionan bien con líquidos abrasivos, se pueden usar para dosificar
Las bombas peristálticas generan baja presión, son químicamente inertes, pueden usarse para dosificación
Bombas de diafragma : crean baja presión, se pueden usar para dosificar

Propiedades generales de las bombas de desplazamiento positivo:

La ciclicidad del proceso de trabajo y las porciones y pulsaciones asociadas de suministro y presión. El suministro de una bomba volumétrica no se realiza en un flujo uniforme, sino en porciones.
Estanqueidad , es decir, la separación constante de la línea de presión de la línea de succión (las bombas de paletas no tienen estanquidad, pero son de flujo continuo).
Autocebado , es decir, la capacidad de las bombas volumétricas para crear un vacío en la línea de succión suficiente para elevar el líquido en la línea de succión hasta el nivel de la bomba (las bombas de paletas no son autocebantes).
Independencia de la presión creada en la línea hidráulica de presión del suministro de líquido por la bomba

Bombas dinámicas

Las bombas dinámicas se dividen en:

Bombas de paletas, en las que el cuerpo de trabajo es una rueda de paletas o un tornillo fino. Incluyen:
- Centrífugo , en el que la conversión de la energía mecánica del impulsor en energía potencial del flujo ocurre debido a las fuerzas centrífugas que surgen cuando las palas del impulsor interactúan con el líquido. Las bombas centrífugas se dividen en:
  - Una bomba centrífuga de tornillo es un tipo de bomba centrífuga con suministro de fluido al cuerpo de trabajo hecho en forma de un tornillo pequeño de gran diámetro (discos) ubicado en el centro, con una eyección tangencial hacia arriba o hacia los lados del cuerpo. Tales bombas son capaces de bombear masas caramelizadas y pegajosas, como pegamento
  - Bomba voladiza : un tipo de bomba centrífuga con un suministro de fluido unidireccional al impulsor ubicado en el extremo del eje, lejos de la transmisión.
  - Bombas radiales , cuyos cuerpos de trabajo son impulsores radiales. Bombas monoetapa y multietapa de baja velocidad con cabezales elevados a caudales reducidos.
- Bombas axiales (de hélice) , cuyo cuerpo de trabajo es un impulsor de tipo hélice. El líquido en estas bombas se mueve a lo largo del eje de rotación del impulsor. Las bombas de alta velocidad con un alto coeficiente de velocidad se caracterizan por altos caudales, pero bajos valores de cabeza.
  - Bombas semiaxiales ( diagonal , turbina ), cuyo cuerpo de trabajo es un impulsor semiaxial (diagonal, turbina).
Las bombas de vórtice son un tipo separado de bombas de paletas en las que la conversión de energía mecánica en energía de flujo potencial (presión) ocurre debido a la formación de vórtices en el canal de trabajo de la bomba.
Bombas de chorro , en las que el movimiento del líquido se realiza gracias a la energía del flujo de un líquido auxiliar, vapor o gas (sin partes móviles, pero de bajo rendimiento).
Arietes (arietes hidráulicos) , utilizando el fenómeno del golpe de ariete para bombear fluido (piezas móviles mínimas, casi sin superficies de fricción, diseño simple, capacidad para desarrollar alta presión de salida, baja eficiencia y productividad)

Bombas rotativas

Las bombas Vortex son bombas dinámicas en las que el líquido se mueve a lo largo de la periferia del impulsor en una dirección tangencial. La conversión de la energía mecánica del accionamiento en energía potencial del flujo (presión) ocurre debido a múltiples vórtices excitados por el impulsor en el canal de trabajo de la bomba. La eficiencia de las bombas reales no suele superar el 30% .

El uso de una bomba de vórtice está justificado cuando el valor del coeficiente de velocidad es . Las bombas Vortex en diseño multietapa amplían significativamente el rango de presiones de funcionamiento a caudales bajos, reduciendo el factor de velocidad a valores típicos de las bombas de desplazamiento positivo. $n_{s}40$

Las bombas periféricas combinan las ventajas de las bombas de desplazamiento positivo (altas presiones a caudales bajos) y las bombas dinámicas (dependencia lineal del cabezal de la bomba respecto al caudal, uniformidad del caudal).

Las bombas periféricas se utilizan para bombear líquidos limpios y de baja viscosidad, gases licuados, como bombas de drenaje para bombear condensado caliente.

Las bombas Vortex tienen cualidades de baja cavitación. Coeficiente de velocidad de cavitación[ término desconocido ] bombas de vórtice . $C=100..110$

Similitud con las bombas de paletas

Los métodos de la teoría de la similitud y el análisis dimensional permiten generalizar los datos experimentales sobre el rendimiento de la bomba sobre una base científica. El movimiento de fluido en la bomba de algunas proporciones geométricas se determina en un modelo simplificado: diámetro de rueda D , m; caudal Q , m³/s; velocidad n , s −1 ; densidad del líquido ρ, kgf s 2 /m 4 ; viscosidad μ, kgf s/m². Los parámetros dependientes son el momento en el eje de la bomba M , kgf m y la cabeza H , m El sistema se reduce a la dependencia de complejos adimensionales : ${\ estilo de visualización \ estilo de texto {\ bar {M}} = f (Re, St)}$

${\bar M}={M \sobre \rho n^{2}D^{5}}$ - momento adimensional,
$Re={\rho Q \sobre \mu D}$ es un análogo del número de Reynolds ,
$St={nD^{3} \over Q}$ es un análogo del número de Strouhal .

La potencia interna es proporcional al par en el eje multiplicado por el número de revoluciones:

N_{i}=\rho n^{3}D^{5}f'(Re,St)

;

referimos la presión a la presión dinámica: (la presión en primera aproximación es proporcional a la velocidad circunferencial en la periferia de la rueda), $\textstyle {H \sobre v^{2}/2g}\sim {H \sobre D^{2}n^{2}/g}$

H={D^{2}n^{2} \over g}f''(Re,St)

Entonces, para dos bombas geométricamente similares con una relación de escala D 1 / D 2 = λ, con la igualdad correcta (es decir , ), las ecuaciones de similitud para las bombas también son verdaderas: $St_{1}=St_{2}$ $\textstyle Q_{1}/Q_{2}=\lambda ^{3}n_{1}/n_{2}$

{\frac {N_{{i1}}}{N_{{i2}}}}=\lambda ^{5}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{3}{ \frac {\rho _{1}}{\rho _{2}}}

{\frac {H_{1}}{H_{2}}}=\lambda ^{2}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{2}

Estas ecuaciones son correctas hasta el efecto de escala causado por un cambio en el criterio Re y rugosidad superficial relativa . La forma refinada incluye un cambio en la eficiencia correspondiente con un cambio en Re y D :

{\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}=\lambda ^{3}{n_{1} \over n_{2}}{\eta_{{\mbox{o6 1}}} \ sobre \eta _{{\mbox{o6 2))))

{\frac {N_{1}}{N_{2}}}=\lambda ^{5}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{3}{\frac {\ rho _{1}}{\rho _{2}}}{\eta _{{{\mathrm M}e1}} \over \eta_{{{\mathrm M}e2}}}

{\frac {H_{1}}{H_{2}}}=\lambda ^{2}\left({n_{1} \over n_{2}}\right)^{2}{\eta_{ {\Gamma 1}} \over \eta _{{\Gamma 2}}}

Una consecuencia de las ecuaciones de similitud es la relación de frecuencia de bombas similares (para igual eficiencia)

{\frac {n_{1}}{n_{2}}}={\frac {{\sqrt ({\frac {Q_{2}}{Q_{1}}}}}}{\left({\ fracción {H_{2}}{H_{1}}}\right)^{{3/4}}}}{\mbox{.}}

Características de velocidad de las bombas de paletas

El número específico de revoluciones n r , s −1 , caracteriza el tipo de diseño del impulsor de la bomba; se define como el número de revoluciones de una bomba de referencia como esta con un caudal de 1 m³/s a una altura de 1 m:

r = norte√ Q [m³/s]( Al [m]) 3/4.

El número específico adimensional de revoluciones es un parámetro más universal que no depende de la dimensión de los valores aplicados:

{\bar n}_{r}^{=}{\frac {n{\sqrt Q}}{(gH)^{{3/4}}}}{\mbox{.}}

En el sistema métrico ( n , s −1 ; Q , m³/s; H , m; g = 9,81 m/s²) n̄ r ≈ 0,180 n r [s −1 ].

El factor de velocidad n s , s −1 , es el número de revoluciones de una bomba de referencia, similar a ésta, de potencia útil de 75 kgf m/s a 1 m de altura; se supone que tal bomba funciona con agua (γ=1000 kgf/m³) y tiene la misma eficiencia.

n = 3,65 n√ Q [m³/s]( Al [m]) 3/4.

Estos valores permiten comparar diferentes bombas, si se desprecia la diferencia de eficiencia hidráulica y volumétrica. Dado que un aumento en el número de revoluciones permite, por regla general, reducir el tamaño y el peso de la bomba y su motor, y por lo tanto es beneficioso. Las ruedas de baja velocidad le permiten crear alta presión con bajo caudal, las ruedas de alta velocidad se utilizan para alto avance y baja presión.

Tipos de impulsores en función del coeficiente de velocidad

norte s , s −1	D2 / D0 _ _	tipo de bomba
40÷80	~2.5	Centrífuga de baja velocidad
80÷140	~2	centrífuga normal
140÷300	1.4÷1.8	Centrífuga de alta velocidad
300÷600	1.1÷1.2	Diagonal o tornillo
600÷1800	0.6÷0.8	Axial

El número específico de revoluciones de la cavitación , s −1 , es una característica del diseño de la ruta de flujo de la bomba en términos de capacidad de succión; es el número de revoluciones de una bomba como esta con un caudal de 1 m³/s y H 0 u min = 10 m: $\textstyle n_{r}^{{\mbox{*}}}$

\textstyle n_{r}^{{\mbox{*}}}

=n√ Q [m³/s]( H 0 u min [m]/10) 3/4.

Clasificación de bombas por implementación

Mecánico
- Pistón
- Giratorio
- Diafragma
- lamelar
- tornillo
- Raíces
- Carrete
- Espiral
- turbomolecular
Descarga magnética
Chorro de tinta
- anillo de agua
- Difusión de vapor-aceite
- Impulsor de aceite de vapor
Sorción
criogénico

Clasificación de bombas por tipo de medio bombeado

Bombas químicas

Las bombas químicas están diseñadas para bombear diversos líquidos agresivos, por lo que sus principales campos de aplicación son la industria química y petroquímica (bombeo de ácidos, álcalis, derivados del petróleo), la industria de pinturas y barnices (pinturas, barnices, disolventes, etc.) y la industria alimentaria. industria.

Las bombas químicas están diseñadas para bombear líquidos agresivos (ácidos, álcalis), líquidos orgánicos, gases licuados, etc., que pueden ser explosivos, con diferentes temperaturas, toxicidad, tendencia a la polimerización y pegajosidad, contenido de gases disueltos. La naturaleza de los líquidos bombeados determina que las partes de las bombas químicas que entran en contacto con los líquidos bombeados estén hechas de polímeros químicamente resistentes o aleaciones resistentes a la corrosión, o tengan recubrimientos resistentes a la corrosión.

Bombas fecales

Las bombas fecales se utilizan para bombear líquidos contaminados y aguas residuales . Están diseñados para una mayor viscosidad del medio bombeado y el contenido de partículas suspendidas en él, incluidas partículas abrasivas pequeñas y medianas (arena, grava ). Las bombas fecales pueden ser sumergibles o semisumergibles, y su diseño también puede estar equipado con un mecanismo de corte para triturar grandes piezas sólidas transportadas por el flujo de líquido. Los modelos modernos de tales bombas a veces tienen un flotador para encender / apagar automáticamente la bomba.

El principal entorno de aplicación es en las estaciones de alcantarillado.

Notas

↑ Máquinas para bombear y crear presión de gas - ventiladores y compresores . Además, algunas máquinas y aparatos para bombear gases también se denominan bombas, por ejemplo, una bomba de vacío , una bomba de chorro de agua , una bomba manual para inflar neumáticos de vehículos con ruedas.

Literatura

Gran Enciclopedia Soviética : [en 30 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M. : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
Lermantov VV Pumps // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
Lomakin A. A. Bombas centrífugas y axiales. - 2do. - M. - L .: Mashinostroenie, 1966.

diccionarios y enciclopedias

Gran danés
gran noruego
gran ruso
Brockhaus y Efron
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alrededor del mundo
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Britannica (en línea)

En catálogos bibliográficos
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