Las bombas reciprocantes (alternativas) se utilizan en numerosas aplicaciones que exceden la capacidad de las bombas centrfugas o rotatorias. Algunos servicios se podran efectuar con una centrfuga o rotatoria, pero a expensas de un aumento en los requisitos de potencia y de mantenimiento. Debido a los altos costos de la energa, la bomba de potencia, con su elevada eficiencia mecnica, se utiliza cada vez ms en muchas aplicaciones.Una bomba reciprocante es de desplazamiento positivo, es decir, recibe un volumen fijo de lquido en condiciones casi de succin, lo comprime a la presin de descarga y lo expulsa por la boquilla de descarga. En estas bombas se logra por el movimiento alternativo de un pistn, mbolo o diafragma.La bomba reciprocante no es cintica como la centrfuga y no requiere velocidad para producir presin, pues se pueden obtener presiones altas a bajas velocidades. Esta es una de las ventajas de la bomba reciprocante en particular para manejar pastas aguadas abrasivas y lquidos muy viscosos.Esta bomba se mueve con un propulsor con eje rotatorio, como motor elctrico, de combustin interna o turbina.La bomba de accin directa se impulsa con un fluido motor por medio de presin diferencial. Como estas bombas, originalmente, eran para impulsarlas con vapor, como la mayor parte de las bombas, se les llamaba bomba de vapor, no porque bombearan vapor, sino porque ste las impulsaba.Desde hace bastantes aos se han utilizado otros gases como fluidos-motores. El gas combustible que, en otra forma, se enviara con un regulador de presin para servicio de la planta, a menudo se enva a la bomba de accin directa para que funcione gratis. El aire comprimido se utiliza con frecuencia para impulsar bombas pequeas en servicios como pruebas hidrostticas y dosificacin de productos qumicos.

Razones para utilizar bombas reciprocantesLa justificacin para seleccionar una bomba reciprocante, en vez de una centrfuga o una rotatoria debe ser el costo; no slo el costo inicial sino el costo total, incluso los costos de energa y mantenimiento.Algunas aplicaciones se prestan mejor para bombas reciprocantes. Los servicios tpicos incluyen limpieza con agua a alta presin (20 gpm a 10 000 psig), inyeccin de glicoles (5 gpm a 1 000 psig), carga con amoniaco (40 gpm a 4 000 psig). Otra aplicacin en donde es casi obligatoria la bomba reciprocante es para pastas aguadas abrasivas o materiales muy viscosos a ms de unas 500 psig. Los ejemplos son desde pasta aguada de carbn hasta mantequilla de cacahuate (man). La mejor caracterstica de la bomba de potencia es su alta eficiencia, pues suele ser de 85 a 94 %. La prdida de 10% incluye todas las que ocurren en las bandas, engranes, cojinetes, empaquetaduras y vlvulas.Otra caracterstica de la bomba reciprocante es que la capacidad esta en funcin de la velocidad y es ms o menos independiente, de la presin de descarga. Por ello, una bomba de potencia de velocidad constante que mueve 100 gpm a 300 psig podr manejar cerca de 100 gpm a 3 000 psig.

La bomba de accin directa tiene algunas ventajas ms que la bomba de potencia. Se usa para aplicaciones con alta presin y bajo flujo. Las presiones de descarga suelen ser ente 300 y 5 000 psig, pero pueden exceder 10 000 psig. La capacidad es proporcional a la velocidad entre el punto al freno y la mxima, sin que importe la presin de ahogo. La velocidad se controla con la estrangulacin del fluido-motor. Suelen ser auto cebantes, en particular el tipo de bajo volumen del espacio de funcionamiento.

En las bombas de accin directa casi no influyen las condiciones desfavorables, como vapores corrosivos, pues no tienen cubierta de cojinetes, caja de cigeal o depsito de aceite, salvo las que necesitan un lubricador. Algunas bombas de accin directa que quedaron cubiertas por una inundacin accidental, han seguido funcionando sin efectos dainos. Estas bombas son silenciosas, de fcil mantenimiento y sus bajas velocidades y construccin fuerte les dan larga duracin Las bombas de potencia y de accin directa, con conexiones y accesorios especiales para trabajo a baja velocidad se han empleado con buenos resultados para pastas aguadas abrasivas.La baja eficiencia trmica de las bombas de accin directa suele, a veces, ser una ventaja.

Cuando se acciona con vapor, se pierde muy poco calor entre la entrada y la descarga. La temperatura en el escape es la misma que se obtiene con estrangulacin. En los casos en que se estrangula vapor a alta presin a una presin ms baja para calentamiento, por ejemplo, para desaerear agua de alimentacin de calderas, el vapor se puede utilizar para mover una bomba de accin directa y el vapor en el escape se utiliza para el calentamiento. En este caso, el lado de potencia (anillos de pistn, vlvulas, etc.) funciona sin lubricacin para que el vapor de la descarga no contenga aceite.

AplicacionesLas aplicaciones tpicas de las bombas reciprocantes son:

Carga deglicoles. El etilenglicol o el trietilenglicol se bombea a un absorbedor a unas 1 000 psig para eliminar la humedad del gas natural. El glicol absorbe el agua, se lo estrangula a presin atmosfrica y se lo calienta para eliminar el agua. Despus, se enfra y se devuelve con la bomba al absorbedor. Para este servicio se utilizan bombas de potencia con motor y reciprocantes de accin directa.

Carga de aminas. La monoetanolamina, otras aminas y los absorbentes patentados eliminan el sulfuro de hidrgeno y el dixido de carbono del gas natural. Se bombea el absorbente hacia un absorbedor a unas 1 000 psig y produce una accin similar a la de los glicoles. En las plantas grandes para tratamiento de gas se suelen utilizar bombas centrfugas; en las pequeas, son ms adecuadas las bombas de potencia propulsadas por motor elctrico.

Petrleo pobre. El aceite para absorcin se utiliza igual que los glicoles y aminas pero absorbe los hidrocarburos como butano, propano y etano del gas natural.

Inyeccin de agua salada. Un mtodo que se utiliza mucho para la recuperacin secundaria de petrleo y gas en los campos casi agotados, es inundar los yacimientos con agua, por lo general, agua salada en pozos perifricos para obligar a los hidrocarburos a moverse hacia el pozo central. En los campos pequeos se utilizan bombas de potencia

Eliminacin de agua salada. Se suelen utilizar bombas de potencia para bombear el agua salada a un pozo para eliminarla.

Evitadores de reventones. Los evitadores de reventones, hidrulicos, siempre estn listos durante la perforacin de pozos de petrleo y gas para cerrar el pozo si se inicia el llamado reventn. La potencia hidrulica se aplica con bombas reciprocantes, con motor elctrico o neumtico. La presin normal de funcionamiento es entre 1 000 y 3 000 psig.

Sistemas de oleoductos y gasoductos. Se utilizan bombas de potencia para inyectar amoniaco o hidrocarburos ligeros en estas tuberas. Se envan diversas pastas aguadas y petrleo crudo en las tuberas con bombas de potencia de pistn y mbolo.

Sistemas hidrulicos. Se utiliza un lquido hidrulico, corno aceite soluble y agua en laminadoras de acero y petrleo difano (Keroseno) y aceite en las laminadoras de aluminio, para colocar los rodillos de las laminadoras y se emplean cilindros hidrulicos para mover el metal que se lamina. Estos sistemas de cargas con bombas de potencia con motor a una presin entre 1 000 y 5 000 psig.

Produccin de fertilizantes. Se utilizan bombas de potencia con prensaestopas especiales para bombear amoniaco a presiones hasta de 5 500 psig. Se utilizan bombas de potencia con extremos para lquido hechos de acero inoxidable y prensaestopas especiales para bombear carbamato de amonio a presiones hasta de 3 500 psig para la produccin de urea.

Limpieza. El agua a presiones entre 7 000 y 10 000 psig enviada con bombas de potencia se utiliza para lavar equipos y estructuras.

Tambores deshidratadores. La bomba de accin directa, de mnima holgura es muy adecuada para bombear los hidrocarburos desde los tambores deshidratadores en las refineras, debido a su velocidad variable y su baja carga neta positiva de succin NPSH.

Pruebas hidrostticas. Se utilizan bombas de potencia y de accin directa para las pruebas hidrostticas de equipos y sistemas. La bomba con mbolo de accin directa es muy adecuada para este servicio porque se ahoga a determinada presin y slo bombea si falla la presin.

Pastas aguadas. Se emplean bombas de potencia y de accin directa par manejar pastas aguadas como mantequilla de cacahuate, detergentes, plsticos, carbn y minerales pulverizados en procesos y tuberas. Las presiones pueden llegar hasta unas 10 000 psig y las temperaturas a unos 700F.

Dosificacin. Se utilizan diversas configuraciones de bombas de potencia y de accin directa para dosificar lquidos desde bombas grandes para tuberas con propulsin de velocidad variable y tambin las hay pequeas, de volumen controlado para inyectar cantidades precisas de productos qumicos en la corriente de proceso.

Homogeneizacin. La leche y otros productos alimenticios y no alimenticios se homogeneizan para hacerlos uniformes y evitar la separacin. Gran parte de la homogeneizacin se logra al bombear el material con una bomba de potencia de mbolo hasta una alta presin y, luego, con la estrangulacin con una 0 ms vlvulas especiales

Desventajas de las bombas reciprocantesLas bombas reciprocantes tienen ciertas desventajas y la ms comn es el flujo a pulsaciones; por ello, se debe tener cuidado en el diseo del sistema. Ms adelante en este artculo aparece informacin al respecto.

En la mayora de las aplicaciones los costos inicial y de mantenimiento de las bombas reciprocantes sern mayores que para las centrfugas 0 las rotatorias. La empaquetadura tpica en una bomba de potencia dura menos de tres meses, o sea mucho menos que un sello mecnico en un eje rotatorio.

La bomba de accin directa tiene baja eficiencia trmica cuando se le impulsa con un gas como el vapor de agua. La eficiencia mecnica (fuerza de salida dividida entre la fuerza de entrada) es alta; pero, debido a que no tiene ningn componente, como un volante, para almacenar energa, el gas motor debe permanecer a la plena presin de entrada en el cilindro durante toda la carrera; al final de la carrera se expande el gas hacia el tubo de es-1 cape, pero no efecta ningn trabajo durante la expansin. Por tanto, la energa trmica del gas se pierde por friccin. El consumo aproximado de vapor de estas bombases de 100 lb/h por cada caballo hidrulico (hhp), es decir, por cada caballo hidrulico producido en el extremo de lquido, se necesitan unas 100 lb/h de vapor. Cuando el fluido-motor es gas natural o aire, el consumo es alrededor de 3 500 ft estndar/(h) (hhp). La mayora de los problemas con las bombas reciprocantes se pueden evitar con la seleccin de bombas que trabajen a velocidades conservadoras, con diseo cuidadoso del sistema de bombeo y con mtodos de mantenimiento que conserven la aleacin entre el mbolo y el prensa estopas.

Clasificacin de las bombas

Las bombas reciprocantes, por lo general, se clasifican por sus caractersticas:

Extremo de impulsin, es decir, potencia o accin directa. Orientacin de la lnea de centros del elemento de bombeo, es decir, horizontal o vertical. Nmero de carreras de descarga por ciclo de cada. biela, es decir, accin sencilla o doble accin. Configuracin del elemento de bombeo: pistn, mbolo o diafragma. Nmero de varillas o bielas de mando, es decir, simplex, dplex o mltiplex.

El tamao de una bomba de potencia se indica primero con el dimetro del mbolo o pistn y despus la longitud de la carrera; en Estados Unidos se da en pulgadas.Por ejemplo una bomba designada 2 x 3 tiene mbolo de 2 in de dimetro y 3 in de carrera. En las bombas de accin directa se emplea el mismo sistema, excepto que el dimetro del pistn de mando va antes que el dimetro del elemento en el extremo del lquido. Por ejemplo, una bomba designada 6 x 4 x 6 tiene pistn de mando o impulsin de 6 in de dimetro, pistn para lquido de 4 in de dimetro y carrera de 6 in.

Carga de aceleracin

Debido a que la circulacin en los tubos de succin y descarga no es constante, tiene que acelerar y desacelerar cierto nmero de veces por cada revolucin del cigeal. Dado que el lquido tiene masa y, por tanto, inercia se requiere para producir la aceleracin y retorna al sistema al ocurrir la desaceleracin. Sin embargo, se debe preveer suficiente exceso de presin para acelerar el lquido en el lado de succin de la bomba y evitar la cavitacin en el tubo de succin, en la cmara de bombeo o en ambos.

La aceleracin se puede entender con ms claridad si se cambian las escalas en la curvas de flujo (Fig. 10). Si se modifica la abscisa de grados de rotacin del cigeal a tiempo (para lo cual se divide entre 360 y revoluciones por minuto) y se cambia la ordenada a velocidad en el tubo, en vez de velocidad relativa al multiplicarla por la velocidad promedio, se tiene un trazo de velocidad contra el tiempo en los tubos de succin o de descarga.

Para determinar la aceleracin se mide la pendiente de las curvas de velocidad. Por ejemplo, la aceleracin mxima en la bomba dplex ocurre dos veces por revolucin o sea a Oo y 180 de la rotacin del cigeal. La bomba trplex produce mxima aceleracin a los 60, 180 y 300 de rotacin.Se podra calcular la masa del lquido en el tubo de succin, su aceleracin y la fuerza requerida y convertirlas a presin 0 energa por masa unitaria. Por fortuna, ya se ha hecho en las normas del Hydraulic Institute, en las cuales se obtiene: en donde h, = carga de aceleracin, ft de lquido que se bombea; L = longitud real (no equivalente) del tubo de succin, ft; V = velocidad del lquido en el tubo de succin, ft/s; N = velocidad de rotacin del cigeal, rpm; C = constante que depende del tipo de bomba; k = constante que depende de la comprensibilidad del lquido y g = constante de la gravedad, 32.2 ft/s2. Los valores numricos de las constantes C y k son:

Ejemplo: Una bomba trplex con mbolo de 3 in de dimetro y 5 in de carrera funciona a 250 rpm y bombea 109 gpm de aceite pobre con una densidad relativa de 0.78. La tubera de succin es un tramo de tubo cdula 40 de 6 in de dimetro y 40 ft de longitud. En los 40 ft est incluida la longitud real (no la longitud equivalente) de codos y tes. Determnese la carga de aceleracin. Se calcula que la velocidad en el tubo de succin esde 1.2 1 ft/s y se har un clculo conservador al dejar que k = 1.5. Por tanto, al sustituir los valores correspondientes en la ecuacin (1) se encuentra:

Por tanto, se requiere una carga de 16.5 ft para acelerar la columna de 40 ft de lquido. Al convertir esta carga a unidades de presin se obtiene:

La ecuacin (1) no es lo bastante amplia para compensar factores como la elasticidad del sistema y la velocidad de una onda de presin en el lquido. Por ello, slo se recomienda para tubos de succin cortos y no elsticos Si se utiliza la ecuacin para tubos de succin de ms de 50 ft, es probable que se tengan resultados inexactos.

Si dos o ms bombas funcionan en paralelo con un tubo comn de succin, para calcular la carga de aceleracin para el tubo comn se supone que todas las bombas estn en sincrona 0 sea que funcionan como si fueran una sola bomba grande. Se suman las capacidades de todas las bombas para determinar la velocidad en la tubera.

Miller3 inform que sus pruebas mostraron que la carga de aceleracin era mucho menor que la calculada con la ecuacin (1). Algunas instalaciones han tenido funcionamiento satisfactorio con una carga neta positiva de succin, NPSH, mucho menor que la indicada .como necesaria en la ecuacin (1). Por otra parte, tambin hay algunas instalaciones en las cuales la NPSH requerida concuerda con la ecuacin (1).

No se conoce la razn de esta discrepancia, pero quiz se deba a que se libera gas o aire en el tubo de succin. Cualquier gas arrastrado en el lquido o acumulado en un punto alto en la tubera de succin tiende a absorber las pulsaciones de la bomba y reduce la carga de aceleracin

Carga del mbolo

La carga del mbolo se define como la fuerza transmitida al extremo de potencia por un mbolo. En bombas de accin sencilla, para calcular la carga en el mbolo de descarga se multiplica la presin de descarga por la superficie de la cara de un mbolo. La carga del mbolo de succin es la presin multiplicada por la superficie del mbolo.

Una bomba de potencia se especifica por la carga mxima del mbolo o biela que puede absorber el extremo de potencia cuando la presin de succin es de cero. Algunas bombas se especifican para funcionamiento continuo, otras para intermitente y, algunas, para ambos.Eficiencia mecnica: bomba de potencia

La eficiencia mecnica (llamada tambin eficiencia de la bomba) de una bomba de potencia se define como la relacin entre la potencia de salida, Po y la potencia de entrada P, y en forma de ecuacin es:

en donde nm= eficiencia mecnica total de la bomba; Q = capacidad, gpm; AP = presin de descarga menos presin de succin, psi; p; = potencia de entrada del propulsor, hp. Por lo general, la potencia de entrada incluye las prdidas en una propulsin con bandas (correas) o integral con engranes, pero no las prdidas en una unidad con engranes separadas o de velocidad variable.La eficiencia mecnica de una bomba de potencia a menudo excede del 90% (Fig. 14) y a veces es mayor que la eficiencia de su motor. Como se indica en la figura 14, qrn vara con la carga y la velocidad. En algunas bombas ocurre un cambio en nrn cuando cambia el dimetro del mbolo; los mbolos grandes en las bombas de baja velocidad tienen menor eficiencia por el aumento en las prdidas de las vlvulas y empaquetadura. Grficas para seleccin de bombasEn una bomba reciprocante la equivalente de la curva de rendimiento de una bomba centrfuga es la grfica para seleccin. Cada fabricante produce estas grficas en forma diferente. Todas consisten, bsicamente, en lneas rectas porque el desplazamiento va en proporcin directa con la velocidad. La figura 16 es una grfica para una bomba trplex con carrera de 3 in. La velocidad del cigeal se traza contra el desplazamiento con los diferentes dimetros de mbolos disponibles para esa bomba. Las presiones mximas de descarga en la parte superior de la grfica son aquellas a las cuales funcionara el mbolo para cargar el extremo de potencia a su valor nominal de 4 460 lb. Las presiones indicadas para los mbolos de 1 1/4 y de 1 718 in son presiones de trabajo en el extremo de lquido y menores que las permitidas por la especificacin para el extremo de potencia.

Velocidad de la bomba de potenciaQuiz el factor que ms se ha discutido respecto a las bombas de potencia es la velocidad mxima permisible. Con el empleo de la bomba trplex con carrera de 3 in como ejemplo, se encontrar que algunos fabricantes las ofrecen para funcionar a 500 rpm. Un constructor de unidades porttiles para limpieza con agua acostumbra hacerlas funcionar a 600 rpm. La mayora de los usuarios de este tamao de bomba en servicio continuo prefieren operarlas a no ms de unas 400 rpm. En las bombas de potencia trplex de 3 in de carrera se ha aumentado la velocidad, a lo largo de los aos,de 150 rpm a 520 rpm. Aunque las mejoras en la construccin del extremo de potencia y el de lquido han permitido que la bomba funcione a velocidades ms altas, a expensas de menor duracin de las empaquetaduras, el principal obstculo a las altas velocidades ha sido el diseo del sistema. Al principio, algunos ingenieros pensaban que una bomba ms pequea, para funcionar a velocidad ms alta para lograr la misma capacidad, producira menos pulsaciones en los tubos de succin y descarga, pero no ocurre as.La variacin de velocidad en la tubera para una bomba trplex es de 25% sin que importen su tamao o velocidad (Fig. 10). Para la misma capacidad, un bomba ms pequea y que trabaje a ms rpm producir los mismos volmenes mnimo y mximo de flujo y ms impulsos por segundo. Dado que la carga de aceleracin aumenta en proporcin directa con la frecuencia, cuando se duplica la velocidad de la bomba tambin se duplica la carga de aceleracin y se reduce la (NPSH), del sistema. Adems, si se duplica la velocidad se necesita resorte de vlvula ms fuerte, lo que aumenta la (NPSH), de la bomba. Si la (NPSH), cae por abajo dela (NPSH), , ocurrirn cavitacin y golpeteo.La mejor resolucin de ese problema es un amortiguador eficaz en la tubera de succin, pero se vuelven menos eficaces a altas frecuencias debido a la inercia de sus piezas movibles y la del lquido que contienen, que debe oscilar para que funcionen. Cuando ms se necesita el amortiguador, muchas veces no responde.La velocidad mnima de una bomba de potencia se determina por su capacidad para proveer suficiente lubricacin en todas las superficies del cojinete y apoyo en el extremo de potencia. Algunas bombas pueden funcionar bien a apenas 20 rpm o menos. A otras, hay que mantenerlas a 100 rpm 0 ms.Las bombas de accin directa funcionan con velocidades que suelen estar entre 0 y 50 ciclos/min segn sea la longitud de la carrera. La capacidad de estas bombas para funcionar a velocidades que pueden bajar hasta el punto de ahogo, es deseable en algunas aplicaciones.

Diseo del sistemaSlo la velocidad es ms importante que el diseo del sistema para lograr una instalacin satisfactoria. Un diseo inadecuado producir vibraciones y ruidos en el sistema. Las pulsaciones pueden ser de suficiente intensidad para daar los componentes de la bomba y los instrumentos.La experiencia en el campo y la informacin del Hydraulic Institute aparecen condensadas a continuacin como lineamientos para a) recipiente de succin, b) tubera de succin y c) tubera de descarga.Para el recipiente de succin se necesita: Ser lo bastante grande para proveer suficiente tiempo de retencin para que los gases libres se eleven a la superficie del lquido. Que los tubos de succin y retorno penetren ms abajo del nivel mnimo de lquido. Incluir un rompedor de vrtices en el tubo de succin de la bomba. Incluir una placa desviadora para enviar las burbujas de gas a la superficie. La parte superior de la placa debe estar sumergida lo suficiente en el recipiente para evitar alteraciones.Para el tubo de succin se necesita: Que sea lo ms corto y directo que sea posible Sea uno o dos dimetros de tubo ms grande que la conexin de succin en la bomba. Tenga una velocidad promedio de lquido menor que los valores de las curvas de la figura 18. Tenga el mnimo de recodos; hay que utilizar codos largos o laterales. Impida la acumulacin de vapores en la tubera. No debe tener puntos altos sin respiraderos. El reductor en la bomba debe ser del tipo excntrico instalado con el lado plano hacia arriba. Calcularlo de modo que la (NPSH), que permita la carga de aceleracin sea mayor que la (NPSH)),. Incluir un estabilizador de succin, botella o amortiguador de pulsaciones en el tubo de succin y adyacente al extremo de lquido si la carga de aceleracin es excesiva. Tener una vlvula de corte de apertura total para no restringir el flujo a la bomba. No utilizar pichancha o filtro salvo que se les pueda dar mantenimiento peridico. El agotamiento producido por una pichancha obstruida puede producir ms daos en la bomba que los slidos.Para el tubo de descarga se necesita: Que sea uno o dos dimetros de tubo ms grande que la conexin de descarga en la bomba. Que tenga una velocidad promedio menor de tres veces la velocidad mxima en el tubo de succin. Que tenga el mnimo de recodos; hay que utilizar codos largos o laterales. Que incluya un amortiguador de pulsaciones o mtodos para instalarlo, adyacente al extremo de lquido de la bomba. Que incluya una vlvula de desahogo de un tamao que deje pasar toda la capacidad de la bomba que no exceda del 110% de su presin de disparo o apertura. La descarga de la vlvula de desahogo debe retornar al recipiente de succin para que los gases desprendidos en la vlvula no vuelvan a la bomba. Que incluya un tubo y vlvula de derivacin para poder volver a arrancar la bomba en contra de una insignificante presin de descarga. Que incluya una vlvula de retencin para no aplicar la presin del sistema en la bomba durante el arranque.