Bomba

Una bomba es un dispositivo que mueve fluidos ( líquidos o gases ), o a veces lodos , ^{[ 1 ]} mediante acción mecánica, típicamente convertida de energía eléctrica en energía hidráulica o neumática.

Las bombas mecánicas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como el bombeo de agua de pozos , la filtración de acuarios y estanques , la refrigeración por agua y la inyección de combustible en la industria automotriz, el bombeo de petróleo y gas natural , y el funcionamiento de torres de refrigeración y otros componentes de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado . En la industria médica , se emplean en procesos bioquímicos para el desarrollo y la fabricación de medicamentos, así como en prótesis para órganos, en particular el corazón artificial y las prótesis de pene .

Cuando una bomba contiene dos o más mecanismos de bombeo por los que fluye el fluido en serie, se denomina bomba multietapa . Para describir específicamente el número de etapas, se pueden usar términos como de dos etapas o de doble etapa . En contraste, una bomba que no se ajusta a esta descripción es simplemente una bomba de una sola etapa . En biología, han evolucionado muchos tipos diferentes de bombas químicas y biomecánicas ; la biomimética se utiliza a veces para desarrollar nuevos tipos de bombas mecánicas.

Las bombas mecánicas pueden estar sumergidas en el fluido que bombean o colocarse fuera del fluido.

Las bombas se pueden clasificar según su método de desplazamiento en bombas electromagnéticas , bombas de desplazamiento positivo , bombas de impulso , bombas de velocidad , bombas de gravedad , bombas de vapor y bombas sin válvulas . Existen tres tipos básicos de bombas: de desplazamiento positivo, centrífugas y de flujo axial . En las bombas centrífugas, la dirección del flujo del fluido cambia noventa grados al pasar sobre un impulsor, mientras que en las bombas de flujo axial la dirección del flujo permanece constante. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Bomba de desplazamiento positivo

Una bomba de desplazamiento positivo impulsa un fluido atrapando una cantidad fija y forzando (desplazando) ese volumen atrapado hacia la tubería de descarga. Algunas bombas de desplazamiento positivo utilizan una cavidad expansible en el lado de succión y una cavidad decreciente en el lado de descarga. El líquido entra en la bomba a medida que la cavidad de succión se expande y sale por la descarga a medida que la cavidad se contrae. El volumen permanece constante durante cada ciclo de funcionamiento.

Comportamiento y seguridad de las bombas de desplazamiento positivo

Las bombas de desplazamiento positivo, a diferencia de las centrífugas , teóricamente pueden producir el mismo caudal a una velocidad de rotación determinada, independientemente de la presión de descarga. Por lo tanto, las bombas de desplazamiento positivo son máquinas de caudal constante . Sin embargo, un ligero aumento de las fugas internas al aumentar la presión impide un caudal verdaderamente constante.

Una bomba de desplazamiento positivo no debe funcionar contra una válvula cerrada en el lado de descarga, ya que carece de un sistema de cierre como las bombas centrífugas. Si una bomba de desplazamiento positivo funciona contra una válvula de descarga cerrada, el flujo continúa y la presión en la tubería de descarga aumenta hasta que la tubería se rompe, la bomba sufre daños graves o ambas cosas.

Por lo tanto, es necesaria una válvula de alivio o de seguridad en la salida de la bomba de desplazamiento positivo. Esta válvula puede ser interna o externa. El fabricante de la bomba suele ofrecer la opción de suministrar válvulas de alivio o de seguridad internas. La válvula interna se utiliza generalmente solo como medida de seguridad. Una válvula de alivio externa en la línea de descarga, con una línea de retorno a la línea de succión o al depósito de suministro, proporciona mayor seguridad .

Tipos de desplazamiento positivo

Una bomba de desplazamiento positivo se puede clasificar además según el mecanismo utilizado para mover el fluido:

• Bombas rotativas de desplazamiento positivo: bombas de engranajes internos y externos , bombas de tornillo , bombas de lóbulos , bombas de lanzadera, bombas de paletas flexibles y deslizantes , bombas de pistón circunferencial, bombas de impulsor flexible , bombas de áncora helicoidal (por ejemplo, la bomba Wendelkolben) y bombas de anillo líquido.
• Bombas de desplazamiento positivo de tipo alternativo : bombas de pistón , bombas de émbolo y bombas de diafragma.
• Bombas de desplazamiento positivo de tipo lineal : bombas de cuerda y bombas de cadena.

Bomba rotativa de desplazamiento positivo

Estas bombas mueven el fluido mediante un mecanismo giratorio que crea un vacío que captura y aspira el líquido. ^{[ 4 ]}

Ventajas: Las bombas rotativas son muy eficientes ^{[ 5 ]} porque pueden manejar fluidos altamente viscosos con mayores caudales a medida que aumenta la viscosidad. ^{[ 6 ]}

Desventajas: La naturaleza de la bomba requiere espacios muy reducidos entre la bomba giratoria y el borde exterior, lo que provoca que gire a una velocidad lenta y constante. Si las bombas rotativas funcionan a altas velocidades, el fluido puede cavitar , lo que puede causar erosión y, en consecuencia, un aumento de los espacios por los que puede pasar el líquido, reduciendo así la eficiencia.

Las bombas rotativas de desplazamiento positivo se dividen en cinco tipos principales:

• Bombas de engranajes : un tipo sencillo de bomba rotativa en la que el líquido es impulsado alrededor de un par de engranajes.
• Bombas de tornillo : la forma del mecanismo interno de esta bomba suele ser dos tornillos que giran uno contra el otro para bombear el líquido.
• Bombas de paletas rotativas
• Las bombas de disco hueco (también conocidas como bombas de disco excéntrico o bombas de disco rotatorio hueco), similares a los compresores scroll , tienen un rotor cilíndrico excéntrico encerrado en una carcasa circular. A medida que el rotor orbita, atrapa el fluido entre el rotor y la carcasa, haciéndolo circular a través de la bomba. Se utilizan para fluidos de alta viscosidad, como los derivados del petróleo, y pueden soportar altas presiones de hasta 290 psi. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}
• Las bombas peristálticas tienen rodillos que comprimen un tramo de tubo flexible, impulsando el líquido hacia adelante a medida que avanzan. Debido a su fácil limpieza, son muy utilizadas para dispensar alimentos, medicamentos y hormigón .

Bomba de desplazamiento positivo alternativo

Las bombas de pistón mueven el fluido mediante uno o más pistones, émbolos o membranas (diafragmas) oscilantes, mientras que las válvulas restringen el movimiento del fluido en la dirección deseada. Para que se produzca la succión, la bomba debe primero tirar del émbolo hacia afuera para disminuir la presión en la cámara. Una vez que el émbolo empuja hacia atrás, aumenta la presión en la cámara y la presión interna del émbolo abre la válvula de descarga, liberando el fluido en la tubería de suministro a un caudal constante y con mayor presión.

Las bombas de esta categoría varían desde simples , con un cilindro, hasta, en algunos casos, cuádruples (cuatro) o más. Muchas bombas de pistón alternativo son dúplex (dos) o tríplex (tres) cilindros. Pueden ser de simple efecto, con succión en una dirección del movimiento del pistón y descarga en la otra, o de doble efecto, con succión y descarga en ambas direcciones. Pueden accionarse manualmente, con aire o vapor, o mediante una correa impulsada por un motor. Este tipo de bomba se utilizó ampliamente en el siglo XIX —en los inicios de la propulsión a vapor— como bombas de agua de alimentación de calderas. Actualmente, las bombas de pistón alternativo suelen bombear fluidos de alta viscosidad, como hormigón y aceites pesados, y se emplean en aplicaciones especiales que requieren caudales bajos con alta resistencia. Las bombas manuales de pistón alternativo se usaban con frecuencia para bombear agua de pozos. Las bombas de bicicleta y las bombas de pie para inflar utilizan la acción de pistón alternativo.

Estas bombas de desplazamiento positivo tienen una cavidad expansiva en el lado de succión y una cavidad decreciente en el lado de descarga. El líquido entra en las bombas a medida que la cavidad de succión se expande y sale por la descarga a medida que la cavidad se contrae. El volumen es constante en cada ciclo de funcionamiento y la eficiencia volumétrica de la bomba se puede lograr mediante el mantenimiento rutinario y la inspección de sus válvulas. ^{[ 13 ]}

Las bombas de pistón típicas son:

• Bomba de émbolo : un émbolo alternativo empuja el fluido a través de una o dos válvulas abiertas, que se cierran por succión en su recorrido de regreso.
• Bomba de diafragma : similar a las bombas de émbolo, donde el émbolo presuriza el aceite hidráulico que se utiliza para flexionar un diafragma en el cilindro de bombeo. Las válvulas de diafragma se utilizan para bombear fluidos peligrosos y tóxicos.
• Bombas de pistón : dispositivos sencillos para bombear pequeñas cantidades de líquido o gel manualmente. El dispensador de jabón de manos común es un ejemplo de este tipo de bomba.
• Bomba de pistón radial : un tipo de bomba hidráulica en la que los pistones se extienden en dirección radial. 
• Bomba vibratoria o bomba de vibración : una forma particularmente económica de bomba de émbolo, popular en máquinas de espresso de bajo costo . ^{[ 14 ] [ 15 ]} La única parte móvil es un pistón accionado por resorte, la armadura de un solenoide . Impulsado por corriente alterna rectificada de media onda , el pistón es forzado hacia adelante mientras está energizado y es retraído por el resorte durante el otro semiciclo. Debido a su ineficiencia, las bombas vibratorias generalmente no pueden funcionar durante más de un minuto sin sobrecalentarse, por lo que se limitan a un servicio intermitente. 

Varias bombas de desplazamiento positivo

En estas bombas se aplica el principio de desplazamiento positivo:

• Bomba de lóbulos rotativos
• Bomba de cavidad progresiva
• Bomba de engranajes rotativa
• Bomba de pistón
• Bomba de diafragma
• Bomba de tornillo
• Bomba de engranajes
• Bomba hidráulica
• Bomba de paletas rotativas
• Bomba peristáltica
• Bomba de cuerda
•  Bomba de impulsor flexible

Bomba de engranajes

Esta es la forma más simple de bomba rotativa de desplazamiento positivo. Consta de dos engranajes que giran dentro de una carcasa ajustada. Los espacios entre los dientes atrapan el fluido y lo impulsan alrededor de la periferia exterior. El fluido no retrocede por la parte engranada, ya que los dientes engranan con precisión en el centro. Las bombas de engranajes se utilizan ampliamente en bombas de aceite de motores de automóviles y en diversos grupos hidráulicos.

Bomba de tornillo

Una bomba de tornillo es un tipo más complejo de bomba rotativa que utiliza dos o tres tornillos con rosca opuesta; por ejemplo, un tornillo gira en sentido horario y el otro en sentido antihorario. Los tornillos están montados sobre ejes paralelos que suelen tener engranajes que engranan entre sí, de modo que los ejes giran juntos y todo permanece en su lugar. En algunos casos, el tornillo accionado impulsa al tornillo secundario, sin engranajes, a menudo utilizando el fluido para limitar la abrasión. Los tornillos giran sobre los ejes e impulsan el fluido a través de la bomba. Al igual que con otros tipos de bombas rotativas, la holgura entre las piezas móviles y la carcasa de la bomba es mínima.

Bomba de cavidad progresiva

Ampliamente utilizada para bombear materiales difíciles, como lodos de depuradora contaminados con partículas grandes, una bomba de cavidad progresiva consta de un rotor helicoidal, aproximadamente diez veces más largo que ancho, y un estator, fabricado principalmente de caucho. Este puede visualizarse como un núcleo central de diámetro x con, típicamente, una espiral curva enrollada a su alrededor de un espesor de la mitad de x , aunque en realidad se fabrica en un solo lóbulo. Este eje se aloja dentro de un manguito o estator de caucho de alta resistencia, con un espesor de pared también típicamente x . A medida que el eje gira dentro del estator, el rotor impulsa gradualmente el fluido hacia arriba a través de la cavidad de caucho. Estas bombas pueden desarrollar presiones muy altas a bajos volúmenes, a una velocidad de 90 PSI por etapa en agua para configuraciones estándar.

Bomba tipo Roots

Esta bomba de lóbulos , que recibe su nombre de los hermanos Roots, sus inventores, desplaza el fluido atrapado entre dos largos rotores helicoidales, cada uno encajado dentro del otro cuando están perpendiculares a 90°, girando dentro de una configuración de línea de sellado triangular, tanto en el punto de succión como en el de descarga. Este diseño produce un flujo continuo de volumen uniforme y sin vórtices. Puede funcionar a bajas pulsaciones y ofrece un rendimiento suave, ideal para ciertas aplicaciones.

Las aplicaciones incluyen:

• Compresores de aire industriales de alta capacidad .
• Sobrealimentadores Roots en motores de combustión interna .
• Una marca de sirenas de defensa civil, la Thunderbolt de la Federal Signal Corporation .

Bomba peristáltica

Una bomba peristáltica es un tipo de bomba de desplazamiento positivo. Contiene fluido dentro de un tubo flexible alojado en una carcasa circular (aunque también existen bombas peristálticas lineales). Varios rodillos , zapatas o rascadores unidos a un rotor comprimen el tubo flexible. A medida que el rotor gira, la parte del tubo comprimida se cierra (u ocluye ), forzando el paso del fluido a través del tubo. Además, cuando el tubo se abre a su estado natural tras el paso de la leva, aspira ( restitución ) fluido hacia la bomba. Este proceso se denomina peristalsis y se utiliza en muchos sistemas biológicos, como el tracto gastrointestinal .

Bomba de émbolo

Las bombas de émbolo son bombas de desplazamiento positivo de movimiento alternativo.

Estos dispositivos constan de un cilindro con un émbolo de movimiento alternativo. Las válvulas de succión y descarga están montadas en la cabeza del cilindro. Durante la succión, el émbolo se retrae y las válvulas de succión se abren, aspirando el fluido hacia el interior del cilindro. Durante el avance, el émbolo expulsa el líquido a través de la válvula de descarga.

Eficiencia y problemas comunes: Con un solo cilindro en las bombas de émbolo, el flujo de fluido varía entre el flujo máximo cuando el émbolo se mueve por las posiciones intermedias y el flujo nulo cuando el émbolo está en las posiciones finales. Se desperdicia mucha energía cuando el fluido se acelera en el sistema de tuberías. La vibración y el golpe de ariete pueden ser un problema grave. En general, estos problemas se compensan utilizando dos o más cilindros que no funcionan en fase entre sí. Las bombas centrífugas también son susceptibles al golpe de ariete. ^{[ 16 ]} , un estudio especializado, ayuda a evaluar este riesgo en dichos sistemas.

Bomba de émbolo tipo Triplex

Las bombas de émbolo triplex utilizan tres émbolos, lo que reduce la pulsación en comparación con las bombas de émbolo simple. La adición de un amortiguador de pulsaciones en la salida de la bomba puede suavizar aún más la ondulación de la bomba o el gráfico de ondulación de un transductor de bomba. La relación dinámica entre el fluido a alta presión y el émbolo generalmente requiere sellos de émbolo de alta calidad. Las bombas de émbolo con un mayor número de émbolos tienen la ventaja de un mayor caudal o un flujo más suave sin un amortiguador de pulsaciones. El aumento de las piezas móviles y la carga del cigüeñal es una desventaja.

Los lavaderos de autos suelen usar bombas de émbolo triplex (quizás sin amortiguadores de pulsaciones). En 1968, William Bruggeman redujo el tamaño de la bomba triplex y aumentó su vida útil para que los lavaderos de autos pudieran usar equipos más compactos. Los sellos de alta y baja presión, los sellos de aceite, los cigüeñales y bielas endurecidos, los émbolos de cerámica gruesa y los rodamientos de bolas y rodillos de alta resistencia mejoran la fiabilidad de las bombas triplex. Actualmente, las bombas triplex se utilizan en una gran variedad de mercados en todo el mundo.

Las bombas triplex con menor vida útil son comunes para el usuario doméstico. Una persona que usa una hidrolavadora doméstica durante 10 horas al año puede estar satisfecha con una bomba que dure 100 horas entre reparaciones. Las bombas triplex de grado industrial o de servicio continuo, en el otro extremo del espectro de calidad, pueden funcionar hasta 2080 horas al año. ^{[ 17 ]}

La industria de perforación de petróleo y gas utiliza enormes bombas triplex transportadas en semirremolques llamadas bombas de lodo para bombear lodo de perforación , que enfría la broca y transporta los recortes de vuelta a la superficie. ^{[ 18 ]} Los perforadores utilizan bombas triplex o incluso quíntuples para inyectar agua y solventes profundamente en el esquisto en el proceso de extracción llamado fracturación hidráulica .

Bomba de diafragma

Las bombas de diafragma , que suelen funcionar con aire comprimido eléctrico, son relativamente económicas y pueden realizar una amplia variedad de tareas, desde bombear aire a un acuario hasta líquidos a través de una prensa de filtro . Las bombas de doble diafragma pueden manejar fluidos viscosos y materiales abrasivos con un proceso de bombeo suave, ideal para transportar medios sensibles al cizallamiento. ^{[ 19 ]}

Bomba de cuerda

Bomba de velocidad

Las bombas rotodinámicas (o dinámicas) son un tipo de bomba de velocidad en la que se añade energía cinética al fluido aumentando su velocidad de flujo. Este aumento de energía se convierte en una ganancia de energía potencial (presión) cuando la velocidad disminuye antes o durante la salida del fluido de la bomba hacia la tubería de descarga. Esta conversión de energía cinética en presión se explica mediante la primera ley de la termodinámica , o más específicamente, mediante el principio de Bernoulli .

Las bombas dinámicas se pueden subdividir aún más según el medio por el cual se logra la ganancia de velocidad. ^{[ 22 ]}

Este tipo de bombas tienen una serie de características:

1. Energía continua
2. Conversión de la energía añadida en un aumento de la energía cinética (aumento de la velocidad).
3. Conversión del aumento de velocidad (energía cinética) en un aumento de la presión hidrostática.

Una diferencia práctica entre las bombas dinámicas y las de desplazamiento positivo radica en su funcionamiento con la válvula cerrada. Las bombas de desplazamiento positivo desplazan físicamente el fluido, por lo que cerrar una válvula aguas abajo de una de ellas genera una acumulación continua de presión que puede provocar fallos mecánicos en la tubería o la bomba. Las bombas dinámicas, en cambio, pueden funcionar de forma segura con la válvula cerrada (durante cortos periodos de tiempo).

Bomba de flujo radial

Este tipo de bomba también se conoce como bomba centrífuga . El fluido entra por el eje central, es acelerado por el impulsor y sale perpendicularmente al eje (radialmente); un ejemplo es el ventilador centrífugo  , comúnmente utilizado en aspiradoras . Otro tipo de bomba de flujo radial es la bomba de vórtice. En ella, el líquido se mueve tangencialmente alrededor de la rueda de trabajo. La conversión de la energía mecánica del motor en energía potencial del flujo se produce mediante múltiples remolinos, generados por el impulsor en el canal de trabajo de la bomba. Generalmente, una bomba de flujo radial opera a presiones más altas y caudales más bajos que una bomba axial o de flujo mixto.

Bomba de flujo axial

También se las conoce como bombas de fluido completo . El fluido se impulsa hacia afuera o hacia adentro para moverlo axialmente. Operan a presiones mucho más bajas y caudales más altos que las bombas de flujo radial (centrífugas). Las bombas de flujo axial no pueden alcanzar su velocidad máxima sin precauciones especiales. Si el caudal es bajo, el aumento total de la altura de elevación y el alto par asociados con esta tubería implicarían que el par de arranque tendría que convertirse en una función de la aceleración de toda la masa de líquido en el sistema de tuberías. ^{[ 23 ]}

Las bombas de flujo mixto funcionan como un punto intermedio entre las bombas de flujo radial y axial. El fluido experimenta tanto aceleración radial como elevación, y sale del impulsor con un ángulo comprendido entre 0 y 90 grados respecto a la dirección axial. En consecuencia, las bombas de flujo mixto operan a presiones más altas que las de flujo axial, a la vez que proporcionan caudales mayores que las de flujo radial. El ángulo de salida del flujo determina la relación presión-caudal en función del flujo radial y del flujo mixto.

Bomba de turbina regenerativa

También conocidas como bombas de arrastre , fricción , anillo líquido , periféricas , de tracción , de turbulencia o de vórtice , las bombas de turbina regenerativas son una clase de bombas rotodinámicas que operan a altas presiones de cabeza, típicamente de 4 a 20 bares (400 a 2000 kPa; 58 a 290 psi) . ^{[ 24 ]}  

La bomba tiene un impulsor con varias paletas que gira en una cavidad. El puerto de succión y los puertos de presión se encuentran en el perímetro de la cavidad y están aislados por una barrera llamada separador , que permite la recirculación únicamente del canal de la punta (fluido entre las paletas) y fuerza el paso del fluido del canal lateral (fluido en la cavidad fuera de las paletas) a través del puerto de presión. En una bomba de turbina regenerativa, a medida que el fluido gira repetidamente en espiral desde una paleta hacia el canal lateral y de vuelta a la siguiente paleta, se imparte energía cinética a la periferia, ^{[ 24 ]} de modo que la presión aumenta con cada espiral, de manera similar a un soplador regenerativo. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

Dado que las bombas de turbina regenerativas no pueden quedar bloqueadas por vapor , se utilizan comúnmente para el transporte de fluidos volátiles, calientes o criogénicos. Sin embargo, debido a que las tolerancias suelen ser estrictas, son vulnerables a la presencia de sólidos o partículas que pueden provocar atascos o un desgaste rápido. Su eficiencia suele ser baja, y la presión y el consumo de energía generalmente disminuyen con el caudal. Además, la dirección de bombeo se puede invertir invirtiendo el sentido de giro. ^{[ 27 ] [ 25 ] [ 28 ]}

Bomba de canal lateral

Una bomba de canal lateral tiene un disco de succión, un impulsor y un disco de descarga. ^{[ 29 ]}

Bomba de chorro eyector

Este proceso utiliza un chorro, generalmente de vapor, para crear baja presión. Esta baja presión succiona el fluido y lo impulsa hacia una zona de mayor presión.

El análisis de los registros de reparación de bombas y el tiempo medio entre fallos (MTBF) es de suma importancia para los usuarios responsables y concienzudos de bombas. En vista de ello, el prefacio del Manual del Usuario de Bombas de 2006 alude a las estadísticas de "fallos de bombas". Para mayor comodidad, estas estadísticas de fallos suelen traducirse a MTBF (en este caso, vida útil instalada antes del fallo). ^{[ 30 ]}

A principios de 2005, Gordon Buck, ingeniero jefe de operaciones de campo de John Crane Inc. 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. El estudio incluyó un total de 15 plantas en funcionamiento con casi 15 000 bombas. La más pequeña de estas plantas tenía alrededor de 100 bombas; varias superaban las 2000. Todas las instalaciones estaban ubicadas en Estados Unidos. Además, algunas se consideraban "nuevas", otras "renovadas" y otras "establecidas". Muchas de estas plantas, aunque no todas, tenían un acuerdo de colaboración con John Crane. En algunos casos, dicho acuerdo incluía la presencia de un técnico o ingeniero de John Crane Inc. en las instalaciones para coordinar diversos aspectos del programa.

No todas las plantas son refinerías, y en otros entornos se obtienen resultados diferentes. En las plantas químicas, las bombas tradicionalmente se han considerado desechables debido a que la corrosión química reduce su vida útil. Si bien la situación ha mejorado en los últimos años, el espacio limitado en las cajas de empaquetadura estandarizadas según las normas DIN y ASME restringe el tipo de sello compatible. A menos que el usuario actualice la cámara de sellado, la bomba solo admite versiones más compactas y sencillas. Sin esta actualización, la vida útil en las instalaciones químicas suele ser de entre el 50 y el 60 % de la de las refinerías.

El mantenimiento no programado suele ser uno de los costos más significativos de propiedad, y las fallas en los sellos mecánicos y los cojinetes se encuentran entre las principales causas. Tenga en cuenta el valor potencial de seleccionar bombas que cuestan más inicialmente, pero que duran mucho más entre reparaciones. El tiempo medio entre fallas (MTBF) de una bomba mejorada puede ser de uno a cuatro años mayor que el de su contraparte no mejorada. Considere que los valores promedio publicados de fallas de bombas evitadas oscilan entre US$2600 y US$12 000. Esto no incluye los costos de oportunidad perdidos . Se produce un incendio de bomba por cada 1000 fallas. Tener menos fallas de bombas significa tener menos incendios destructivos de bombas.

Como se ha señalado, una falla típica de una bomba, según informes reales del año 2002, cuesta en promedio US$5,000. Esto incluye costos de materiales, repuestos, mano de obra y gastos generales. Extender el MTBF de una bomba de 12 a 18 meses ahorraría US$1,667 por año, lo que podría ser mayor que el costo de mejorar la confiabilidad de la bomba centrífuga. ^{[ 30 ] [ 1 ] [ 31 ]}

Las bombas se utilizan en toda la sociedad para diversos fines. Entre sus primeras aplicaciones se encuentra el uso de molinos de viento o de agua para bombear agua. Hoy en día, la bomba se utiliza para riego, suministro de agua , suministro de gasolina, sistemas de aire acondicionado , refrigeración (generalmente denominada compresor), transporte de productos químicos, transporte de aguas residuales , control de inundaciones, servicios marítimos, etc.

Debido a la gran variedad de aplicaciones, las bombas tienen una gran diversidad de formas y tamaños: desde muy grandes hasta muy pequeñas, desde el manejo de gases hasta el manejo de líquidos, desde alta presión hasta baja presión, y desde gran caudal hasta bajo caudal.

Bombas como suministros públicos de agua

Un tipo de bomba que alguna vez fue común en todo el mundo era la bomba de agua manual, o «bomba de jarra». Se instalaba comúnmente sobre pozos de agua comunitarios en los tiempos anteriores al suministro de agua potable por tuberías. En algunas partes de las Islas Británicas, a menudo se la llamaba bomba parroquial . Aunque estas bombas comunitarias ya no son comunes, la gente todavía usa la expresión bomba parroquial para describir un lugar o foro donde se discuten asuntos de interés local. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Debido a que el agua de las bombas de jarra se extrae directamente del suelo, es más propensa a la contaminación. Si dicha agua no se filtra y purifica, su consumo puede provocar enfermedades gastrointestinales u otras enfermedades transmitidas por el agua. Un caso notorio es el brote de cólera de Broad Street de 1854. En ese momento se desconocía cómo se transmitía el cólera, pero el médico John Snow sospechó que el agua estaba contaminada e hizo que se retirara el asa de la bomba pública que sospechaba; el brote entonces remitió. Las modernas bombas comunitarias manuales se consideran la opción de bajo costo más sostenible para el suministro de agua potable en entornos con escasos recursos, a menudo en áreas rurales de países en desarrollo. Una bomba manual permite acceder a aguas subterráneas más profundas, que a menudo no están contaminadas, y también mejora la seguridad del pozo al proteger la fuente de agua de cubos contaminados. Bombas como la Afridev están diseñadas para ser económicas de fabricar e instalar, y fáciles de mantener con piezas sencillas. Sin embargo, la escasez de repuestos para este tipo de bombas en algunas regiones de África ha disminuido su utilidad en dichas zonas.

Las bombas suelen clasificarse según su potencia ( en caballos de fuerza) , caudal volumétrico , presión de salida en metros (o pies) de columna de agua y presión de entrada en pies (o metros) de columna de agua. La columna de agua se puede simplificar como la altura (en pies o metros) que la bomba puede elevar o descender a presión atmosférica .

Desde el punto de vista del diseño inicial, los ingenieros suelen utilizar una magnitud denominada velocidad específica para identificar el tipo de bomba más adecuado para una combinación particular de caudal y altura de elevación.

La altura neta de succión positiva (NPSH) ^{[ 44 ]} es crucial para el rendimiento de la bomba. Tiene dos aspectos clave:

1. NPSHr (Requerido): La altura de elevación necesaria para que la bomba funcione sin problemas de cavitación.
2. NPSHa (Disponible): La presión real proporcionada por el sistema (por ejemplo, desde un tanque elevado).

Para un funcionamiento óptimo de la bomba, el NPSHa siempre debe superar al NPSHr. Esto garantiza que la bomba tenga la presión suficiente para evitar la cavitación, una condición perjudicial.

La potencia aplicada a un fluido aumenta su energía por unidad de volumen. Por lo tanto, la relación de potencia se establece entre la conversión de la energía mecánica del mecanismo de la bomba y los elementos fluidos dentro de ella. En general, esto se rige por una serie de ecuaciones diferenciales simultáneas, conocidas como ecuaciones de Navier-Stokes . Sin embargo, se puede utilizar una ecuación más simple que relaciona únicamente las diferentes energías del fluido, conocida como ecuación de Bernoulli . De ahí que la potencia, P, requerida por la bomba sea:

${\displaystyle P={\frac {\Delta pQ}{\eta }}}$

donde Δp es la variación de la presión total entre la entrada y la salida (en Pa), y Q, el caudal volumétrico del fluido, se expresa en m³ ^/ s. La presión total puede tener componentes gravitacionales, de presión estática y de energía cinética ; es decir, la energía se distribuye entre la variación de la energía potencial gravitacional del fluido (al subir o bajar una pendiente), la variación de la velocidad o la variación de la presión estática. η es la eficiencia de la bomba y puede obtenerse mediante información del fabricante, como una curva de rendimiento, y generalmente se deriva de una simulación de dinámica de fluidos (es decir, soluciones a las ecuaciones de Navier-Stokes para la geometría específica de la bomba) o mediante pruebas. La eficiencia de la bomba depende de su configuración y condiciones de funcionamiento (como la velocidad de rotación, la densidad y la viscosidad del fluido, etc.).

${\displaystyle \Delta p=\rho {(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}) \over 2}+\rho \Delta zg+{\Delta p_{\mathrm {static} }}}$

En una configuración típica de bombeo, el trabajo se realiza sobre el fluido y, por lo tanto, es positivo. En el caso del fluido que realiza el trabajo sobre la bomba (es decir, una turbina ), el trabajo es negativo. La potencia necesaria para accionar la bomba se determina dividiendo la potencia de salida entre la eficiencia de la bomba. Además, esta definición incluye bombas sin partes móviles, como un sifón .

La eficiencia de una bomba se define como la relación entre la potencia que la bomba transmite al fluido y la potencia suministrada para accionarla. Su valor no es fijo para una bomba determinada, ya que depende del caudal y, por lo tanto, también de la altura de operación. En las bombas centrífugas, la eficiencia tiende a aumentar con el caudal hasta un punto intermedio en el rango de operación (eficiencia máxima o Punto de Máxima Eficiencia, BEP) y luego disminuye a medida que el caudal sigue aumentando. El fabricante suele proporcionar estos datos de rendimiento antes de la selección de la bomba. La eficiencia de las bombas tiende a disminuir con el tiempo debido al desgaste (por ejemplo, el aumento de las holguras a medida que los impulsores se reducen de tamaño).

Cuando un sistema incluye una bomba centrífuga, un aspecto importante del diseño es lograr que la relación pérdida de carga-caudal coincida con la de la bomba, de modo que esta opere en su punto de máxima eficiencia o cerca de él. La eficiencia de la bomba es un factor crucial, por lo que estas deben someterse a pruebas periódicas. Las pruebas termodinámicas de bombas son un método común.

La mayoría de las bombas grandes tienen un requisito de caudal mínimo por debajo del cual la bomba puede dañarse por sobrecalentamiento, desgaste del impulsor, vibración, fallo del sello, daños en el eje de transmisión o mal funcionamiento. ^{[ 45 ]} Un sistema de protección de caudal mínimo garantiza que la bomba no funcione por debajo del caudal mínimo. El sistema protege la bomba incluso si está apagada o en vacío, es decir, si la línea de descarga está completamente cerrada. ^{[ 46 ]} El sistema de caudal mínimo más simple es una tubería que va desde la línea de descarga de la bomba hasta la línea de succión. Esta línea está equipada con una placa de orificio dimensionada para permitir el paso del caudal mínimo de la bomba. ^{[ 47 ]} La disposición garantiza que se mantenga el caudal mínimo, aunque es ineficiente ya que recircula el fluido incluso cuando el caudal a través de la bomba supera el caudal mínimo. Un sistema más sofisticado, pero más costoso (véase el diagrama), comprende un dispositivo de medición de caudal (FE) en la descarga de la bomba que proporciona una señal a un controlador de caudal (FIC) que acciona una válvula de control de caudal (FCV) en la línea de recirculación. Si el flujo medido supera el flujo mínimo, la FCV se cierra. Si el flujo medido cae por debajo del flujo mínimo, la FCV se abre para mantener el caudal mínimo. ^{[ 48 ] [ 45 ]} A medida que los fluidos se reciclan, la energía cinética de la bomba aumenta la temperatura del fluido. Para muchas bombas, esta energía térmica adicional se disipa a través de las tuberías. Sin embargo, para grandes bombas industriales, como las bombas de oleoductos, se proporciona un enfriador de recirculación en la línea de recirculación para enfriar los fluidos a la temperatura normal de succión. ^{[ 49 ]} Alternativamente, los fluidos reciclados pueden devolverse aguas arriba del enfriador de exportación en una refinería de petróleo , terminal de petróleo o instalación marina .

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