En busca de la bomba sin fugas
La necesidad de una bomba sin fugas se volvió urgente en la era moderna cuando las bombas industriales comenzaron a manejar líquidos peligrosos. En el caso de un líquido tóxico o inflamable, es fundamental proteger tanto a las personas como al medio ambiente de posibles fugas. Además, cada fuga significa producto desperdiciado, lo que se vuelve significativo cuando se bombean medios costosos, como materiales farmacéuticos.
Imagen 1. Bomba con prensaestopas (Imágenes cortesía de ITT Goulds Pumps)
¿Por qué las bombas tienen fugas?
Considere por qué es tan difícil evitar que las bombas tengan fugas. Tome la bomba centrífuga común como ejemplo. En esta bomba, un motor hace girar un eje y un impulsor, pero el motor está ubicado fuera de la bomba. Es donde el eje sale de la bomba, específicamente en los puntos de contacto entre las partes giratorias y estacionarias, donde pueden ocurrir y ocurren fugas.
la caja de relleno
En algunas bombas, se usa un dispositivo llamado prensaestopas para resolver el problema de la fuga.
El prensaestopas es una cámara situada en el exterior de la carcasa de la bomba por donde sale el eje. Dentro de ella,
el material de sellado, una sustancia blanda de empaque, se coloca alrededor del eje.
Mediante un dispositivo especial (una tuerca en el caso más sencillo), se comprime la empaquetadura haciendo que presione contra las paredes de la cámara y el eje, impidiendo así que salga líquido de la bomba.
Sin embargo, el eje debe estar en estrecho contacto con el material de empaque para que el sello quede apretado. Esto puede crear fricción y conducir a una vida útil más corta.
Imagen 2. Sello mecánico
Sellos mecánicos
Los elementos principales de los sellos mecánicos son dos anillos: uno móvil, que gira con el eje, y uno estacionario, que se sujeta al cuerpo de la bomba con un pasador.
La hermeticidad contra fugas se crea mediante el contacto entre las superficies del anillo, que forma un llamado par de fricción. Para proporcionar el contacto, el anillo móvil se presiona contra el anillo fijo mediante un resorte, unidad de resorte o fuelle, que es una cubierta corrugada elástica de una o varias capas hecha de materiales metálicos, no metálicos y compuestos. Para un sellado adicional, se utilizan sellos secundarios, que son juntas tóricas hechas de elastómero.
Cuando funciona correctamente, existe una fina película de líquido entre las superficies de fricción para garantizar la lubricación y la disipación del calor. La holgura entre sus superficies es igual a su altura de rugosidad y, por regla general, no supera la millonésima parte de un metro. Es importante destacar que el anillo fijo nunca toca el eje, lo que reduce el desgaste.
Elegir los materiales adecuados para los anillos de sellado no es una tarea trivial. Los anillos deben tener suficiente fuerza y resistencia al desgaste para soportar los efectos del funcionamiento de la bomba y ser químicamente resistentes al medio bombeado. Además, deben ser capaces de soportar las altas temperaturas que surgen debido a la fricción. Por estas razones, los pares de fricción son tecnologías sorprendentemente sofisticadas, que requieren las disciplinas teóricas y de cálculo de la mecánica, la termodinámica, la hidráulica y la tribología. Debido al pequeño espacio libre entre los anillos, la fabricación de sellos mecánicos modernos en realidad entra en la categoría de nanotecnología.
Sellos mecánicos dobles
Los sellos mecánicos de un solo par de fricción solo pueden minimizar las fugas, no eliminarlas. Para intentar aún más eliminar las fugas, se crearon sellos de tope mecánicos dobles. El sistema auxiliar, llamado plan de lavado o plan de tuberías, alimenta un fluido especial, llamado barrera, al área del sello entre los dos anillos del par de fricción. Su presión se mantiene un poco más alta que la del medio bombeado en el área de sellado y, de esta manera, se logra la estanqueidad. El fluido barrera también realiza las tareas necesarias de eliminación de calor y lubricación en caso de que el medio bombeado carezca de las propiedades para hacerlo. El agua, por ejemplo, pierde sus propiedades lubricantes a unos 176 F (80 C).
Los sellos mecánicos de doble tope pueden eliminar las fugas del fluido bombeado a la atmósfera. Sin embargo, pueden ser relativamente costosos y difíciles de mantener. Además, incluso el par de fricción construido con el mayor cuidado fallará con el tiempo debido al desgaste, por lo que requieren supervisión y reemplazo continuos.
Acoplamientos magnéticos
Imagen 3. Dibujo seccional de una bomba de accionamiento magnético. El eje con imanes impulsores hace girar el cartucho, que incluye los imanes accionados.
Debido a esta transmisión remota de energía, el eje no necesita atravesar la carcasa, por lo que no hay agujeros ni fugas. Sin embargo, estas bombas tienden a ser más costosas debido al costo de los imanes de última generación que requieren. Por lo general, están hechos de aleaciones exóticas de neodimio, cobalto y samario, pero ahora se considera que la aleación de neodimio, hierro y boro (NdFeB) es más eficaz. La vida útil de estos imanes puede ser de decenas o incluso cientos de años, a menudo más que la vida útil de la bomba misma.
Bombas de motor enlatadas
El otro avance que surgió del desarrollo de la electromecánica y la teoría electromagnética fue la bomba de motor enlatado. Este dispositivo combina la función del motor eléctrico con la de la bomba centrífuga clásica. Es similar a una bomba con un magnético acoplamiento, pero el papel de los imanes lo realizan los devanados del estator (parte fija del motor eléctrico) y el rotor. Se llama "enlatado" porque el motor está protegido contra cortocircuitos por un cilindro especial (carcasa) y está ubicado dentro de la carcasa de la bomba en el líquido bombeado, que simultáneamente lubrica y enfría los cojinetes.
Imagen 4. Motobomba enlatada
El par de los devanados "secos" del estator se transmite a través de una carcasa hermética, por lo que no hay posibilidad de fugas.
Debido a que las bombas de motor enlatado usan menos piezas, son compactas. Sin embargo, debido a que las bobinas del estator y el rotor están separadas por varios tabiques, su eficiencia puede ser relativamente baja. Por lo tanto, estos dispositivos son muy útiles pero consumen más energía.
El esfuerzo persistente durante muchos años ahora ha producido una variedad de opciones para lograr una bomba sin fugas. Cada uno tiene su propia mezcla de ventajas y desventajas. Para determinar cuál es mejor para su operación, los especialistas seleccionarán un diseño según las propiedades de los líquidos bombeados, las condiciones de operación y las limitaciones económicas.