ConceptoLas bombas de diafragma son un tipo de bombas de desplazamiento positivo (generalmente alternativo) que utilizan paredes elásticas (membranas o diafragmas) en combinación con válvulas de retención (check) para introducir y sacar fluido de una cámara de bombeo.
Fig. 1 Bomba de diafragma (Darle click a la imágen para ver la animación)
Partes1. Cambiador automático coaxial 2. Cuerpo Bomba3. Membrana4. Colector5. Esfera6. Membrana
Fig. 2 Partes de una bomba
Principio de Funcionamiento
El funcionamiento de las bombas de membrana está basado fundamentalmente en la acción conjunta de cuatro elementos:
• Un par de membranas.
• Un eje que los une.
• Una válvula distribuidora de aire.
• Cuatro válvulas de esfera.
El aumento de presión se realiza por el empuje de unas paredes elástica) que varían el volumen de la cámara aumentándolo y disminuyéndolo alternativamente. Las válvulas de retención (normalmente de bolas de elastómero) controlan que el movimiento del fluido se realice de la zona de menor presión a la de mayor presión.
Fig.3. Funcionamiento de una Bomba de diafragma
Se describe el funcionamiento a partir de una bomba sin suministro de aire y sin estar previamente cebada. Una vez conectado el aire comprimido, la válvula distribuidora lo enviará a la parte posterior de uno de los diafragmas, haciendo que el mismo se aleje del centro de la bomba. Ya que ambas membranas se encuentran unidas por el eje, en el mismo movimiento el diafragma de la izquierda se verá atraído hacia el centro de la bomba, generando una depresión en la cámara de líquido y expulsando al exterior el aire que se encontraba en su parte posterior. Dada la diferencia de presiones entre la cámara de líquido y el exterior, el producto a bombear ingresa al equipo abriendo la válvula de esfera. Cuando el eje llega al final de su carrera, la válvula distribuidora cambia el sentido del flujo de aire, enviándolo a la parte posterior de la otra membrana A partir de este momento, ambos diafragmas y el eje efectúan un recorrido inverso al anterior, produciendo el vaciamiento de la cámara de líquido izquierda y generando vacío en la de la derecha (las válvulas de esfera que estaban abiertas se cierran y viceversa debido al cambio de sentido del flujo). Este ciclo se repite indefinidamente mientras esté conectado el suministro de aire, independientemente de si la bomba está alimentada con líquido o no.
Características
• Existen modelos sumergibles y no sumergibles.
• Son muy versátiles
• Estas bombas son capaces de manejar inclusive materiales críticos de una manera confiable y segura.
• Trabajo libre de aceite y funcionan sin obstáculos.
• Funcionamiento en seco.
• Caudal y altura de elevación regulables.
• Regulación final de velocidad y de presión.
• Mantenimiento simple y rápido.
• Son usadas extensamente en trabajos de transferencia y dosificación que requieran flujos hasta 300 GPM (1150 lt/min)
• Manejan una amplia variedad de fluidos, incluyendo químicos, polvos secos, aditivos para alimentos, gomas, pinturas, productos farmacéuticos, lodos y aguas servidas.
• Carecen de sellos o empaques, lo que significa que pueden ser utilizadas en aplicaciones que requieran cero fugas.
Materiales en los que pueden estar hechos la bomba de membrana
Se puede escoger, para las partes en contacto con el producto, materiales que cubren una amplia gama de compatibilidad química, como son: acero inoxidable tipo 316, PVC, CPVC, PVDF, Polipropileno, acero al Carbón y polietileno; con sellos y empaques de teflón, EPDM y VITON.
Aplicaciones y usos de las bombas de membranas
Gracias a su diseño pueden trabajar en muchas industrias y aplicaciones diferentes, en las que destacan: aguas residuales, fangos, industrias alimenticias, concentrados de frutas, derivados del petróleo, industrias de papel, plantas de proceso, industrias químicas, reactivos.
Tipos
• De mando mecánico
Son usadas en aplicaciones en la industria de la construcción, químicas y tratamiento de aguas. Industria de la construcción: son muy utilizadas en aplicaciones de achicamiento, donde a las bombas pueden ingresar piedras y otros materiales y en plantas de tratamiento de aguas servidas. Normalmente están limitadas a 50 ft (15.2 m) de altura diferencial y son capaces de soportar alturas geodésicas de hasta 25ft (7.6 m). En la industria química son usadas en la inyección o transferencia de químicos en líneas de procesos hasta presiones de 250 lb/in2 (17 bar). Son diseñadas para permitir un fácil ajuste de su capacidad, ya que se necesita inyectar de la forma más precisa posible químicos. Típicamente se puede ajustar su capacidad en rangos de 20:1. Aplicaciones para este tipo de bombas incluyen la inyección de ácidos y bases para control de pH, biocidas, cloración, coagulantes y fertilizantes.
Existen básicamente 2 tipos de configuraciones:
a) Bombas electromagnéticas: son usadas en aplicaciones de baja potencia, dosificadoras, flujos entre 0.026 y 26 GPM (0.1 a 100 lt/hr) y presiones hasta 250 lb/in2. Estas bombas emplean un circuito de control electrónico que maneja un electromagneto, el cual a través de pulsos maneja el ensamblaje armadura eje-diafragma. Cada pulso resulta en una carrera de descarga de la bomba. Al final de la carrera un juego de resortes retorna el ensamblaje del diafragma a su posición inicial. La capacidad es usualmente controlada a través de la regulación del número de carreras, pero la longitud de la carrera también puede ser ajustada.
b) Bombas accionadas por motor: son usadas en aplicaciones con flujos entre 2 y 300 GPH (10 a 1000 lt/h) y presiones hasta 250 lb/in2 (17 bar). Tres técnicas son usadas para regular la capacidad: “movimiento perdido” un tope ajustable no permite a una cruceta seguir el movimiento del cigüeñal por una parte de la carrera; el uso de una biela de excentricidad variable y por último el uso de variadores de frecuencia.
• De mando hidráulica
Son usadas en aplicaciones como la transferencia o inyección de químicos en corrientes de procesos hasta presiones de 7500 psi (500 bar). Como el diafragma está balanceado respecto a la presión, los esfuerzos en el diafragma son pocos. La capacidad de la bomba para un proceso específico puede ser ajustada modificando la longitud efectiva de la carrera o la velocidad de la bomba.
El rango de aplicación está entre los 0.26 y 26000 GPH (1 a 100000 lt/hr), en modelos que trabajen con más de 26 GPH (100 lt/hr) la variación de la capacidad se realiza por ajustes de la velocidad de la bomba o de la excentricidad de la biela, para evitar los picos de presión debidos a la rápida aceleración y desaceleración del fluido.Aplicaciones típicas incluyen la inyección de ácidos y bases para control de pH, inhibidores de corrosión, metanol, coagulantes, lodos de procesos, reductores de arrastre, etc.
Existen 3 configuraciones del lado de líquido: diafragma de disco, diafragma tubular y diafragma de alto rendimiento.Bombas de diafragma de disco: están equipadas con 2 discos de retención, uno en el lado de proceso y otro en el lado de succión para prevenir el sobredesplazamiento del diafragma durante transitorios de operación. Cuando el diafragma alcanza el disco de retención de succión, la presión del aceite hidráulico cae y se abre la válvula de rellenado permitiendo la entrada de aceite. Cuando el diafragma llega al disco de retención de proceso, la presión hidráulica sube, causando que la válvula de venteo se abra permitiendo la salida del aceite. El volumen de fluido entre los discos es típicamente el 150% del máximo volumen desplazado por la bomba.
Los problemas más comunes con bombas accionadas hidráulicamente se refieren a malos diseños del sistema. Se requieren presiones por encima de 9 psi (0.6 bar) en la succión de la bomba para evitar la formación de bolsas de vapor en la cámara de fluido hidráulico o de procesos. Como estas bombas son bombas reciprocantes también deben considerarse las pérdidas por aceleración, aceleraciones y desaceleraciones picos ocurren al comienzo y final de la carrera y las pérdidas por fricción pico ocurren a mitad de la carrera, estas pérdidas no son aditivas. A altos flujos debe considerarse la utilización de amortiguadores para asegurar un manejo apropiado de las pulsaciones debido a la aceleración y desaceleración del fluido en la línea de proceso.
• De mando neumático
En general las bombas de diafragma de todos los tipos no tienen sellos, son autocebantes y tienen una capacidad de variación casi infinita en lo que a capacidad y presión se refiere dentro de los rangos de operación de la bomba. Las AODPS además pueden trabajar en seco infinitamente y la descarga puede ser estrangulada hasta cero flujo indefinidamente.
El tipo más común de AODPS son las bombas de doble diafragma (duplex). Estas tienen 2 cámaras y 2 diafragmas flexibles. El aire comprimido entra directamente a la parte posterior del diafragma de la izquierda, moviendo ambos diafragmas hacia la izquierda, mientras el aire sale a la atmósfera desde la parte posterior del diafragma de la derecha. Después de completar una carrera, una válvula de distribución de aire dirige el aire comprimido desde el suministro hasta la parte posterior del diafragma de la derecha y permite la salida del aire en la cámara izquierda a la atmósfera
Algunas características importantes de las AODPS son:
a) Mientras la bomba está pagada no hay consumo de potencia. El consumo de aire es aproximadamente proporcional al caudal de líquido, a cero caudal hay cero consumo de aire y a máximo caudal se tiene máximo consumo de aire. Esta característica hace a las bombas de diafragma muy útiles en aplicaciones donde el caudal puede variar en una amplio rango.
b) La presión de descarga de la bomba permanece constante para una determinada capacidad y presión de aire, independientemente de la gravedad específica del líquido bombeado.
c) La presión de aire, la capacidad y el NPSHR fijan la presión de descarga de este tipo de bombas.
d) El NPSHR de estas bombas es definido de la misma manera que en cualquier otra bomba reciprocante, generalmente se determina cuando ocurre una caída de la eficiencia volumétrica de un 3% a una velocidad fija o capacidad.
e) Son bombas de desplazamiento, pero no positivo, ya que la máxima presión de bombeo obtenida no puede superar la presión del aire comprimido de accionamiento.
Estas bombas son ideales para bombear lodos abrasivos, también pueden bombear líquidos con viscosidades hasta 50000 SSU (11000 cSt), son ideales para el transporte de líquidos sensibles a los esfuerzos cortantes como el látex. También son utilizados en el bombeo de polvos secos.
Ventajas:
a) Ofrecen una gran capacidad de variar tanto capacidad como presión dentro de sus rangos de operación.
b) No tienen sellos dinámicos o empaques.
c) Pueden rodar en seco indefinidamente.
d) La descarga puede ser estrangulada a caudal cero indefinidamente.
e) No consumen aire cuando están trabajando sin carga.
f) Pueden trabajar en ambientes peligrosos (no hay consumo eléctrico).
g) Potencia es proporcional a la rata de bombeo.
h) Trabajan con lodos abrasivos y sólidos en suspensión.
i) No requieren de by-pass.
j) Si es mantenida apropiadamente no tienen fugas.
k) Simples de mantener y reparar.
l) Pueden manejar una mayor variedad de materiales, más que cualquier otro tipo de bomba.
Desventajas:
a) No son prácticas para bombear caudales por encima de los 300 GPM (1150 lt/m).
b) No son fabricadas para operar con presiones de aire mayores de 125 psi (8.6 bar). Aunque algunas versiones pueden incrementar la relación de presiones a 2:1 o 3:1.
c) Se puede formar hielo en los motores de aire, pero se puede minimizar el efecto con una adecuada selección y diseño.
d) Los diafragmas tienen una vida finita, fluidos con abrasivos o altas temperaturas de procesos limitan la vida del diafragma.
Mecanismo de acción de las bombas de diafragmaLa acción de estas bombas puede ser:
• Eléctrica, mediante un motor eléctrico, en cuyo caso se dice que es una electrobomba. Sin embargo, hay otras electrobombas que no son bombas de membrana.
• Neumática, mediante aire comprimido, en cuyo caso se dice que es una bomba neumática. La mayoría de las bombas neumáticas son bombas de membrana.
Fig.4. Bomba de diafragma accionada eléctricamente
Características de las bombas de diafragma accionadas mecánicamente
Manejan sólidos mas grandes.Manejan agua fangosa o lodosa.Manejan filtraciones lentas.Manejan tanto aire como líquido.Los diafragmas y las válvulas se reparan fácilmente.Son adecuadas para elevaciones altas.Son de autocebado.Pueden operar en seco.Se puede hacer una selección amplia del sistema motriz.Bajos costos de mantenimiento. Baja presión en la descarga.Baja capacidad en relación con la inversiónFlujo pulsante.Vibración considerable durante la operación de bombeo.La descarga nunca debe estar cerrada.La capacidad está determinada por el tamaño de la bomba y no por la velocidad de la máquina.No sostiene la carga de succión
Características de las bombas de diafragma accionadas eléctricamente
Grandes presiones de descarga.Grandes elevaciones de succión.Totalmente auto-cebado, aún desde el arranque en seco.Alto porcentaje de manejo de sólidos.Capacidad y presión, infinitamente variables.La succión se puede cerrar y la presión se puede mantener sin consumo de energía o desgaste.Pueden operar en seco indefinidamente.Poco desgaste abrasivo a altas cargas.Gran capacidad para el manejo de gases y para trabajos de limpieza.Seguridad en las áreas riesgosas. Baja capacidad de bombeo, comparadas con las bombas centrífugas.Menor eficiencia a alta capa
Bombas de diafragma con resorteEstas bombas son en principio iguales que las bombas de diafragma tratadas anteriormente, la diferencia principal es que el mecanismo de accionamiento solo mueve el diafragma en la dirección de succión, la carrera de impulsión se hace por el empuje de un resorte. La fuerza de este resorte es la que determina la presión máxima de bombeoEn el figura se muestra un esquema del funcionamiento. Note que si el conducto de salida se cierra, la incompresibilidad del líquido impide que el diafragma baje, por lo que el vástago empujador perderá el contacto con la leva, el que no se recuperará hasta que se libere el conducto de salida.El típico uso de estas bombas es como elemento de trasiego del combustible desde el depósito hasta el carburador en los motores de combustión interna.
Fig.5. Bomba de diafragma con resorte
Videos Ilustrativos de los componentes y funcionamiento de una bomba de diafragma (Click a las imágenes para visualizarlos)
Enlaces web:
Catálogo de Bombas
• http://public.graco.be/0/media/doc/300570Sb.pdf
Bibliografía recomendada
• http://books.google.co.ve/books?id=k5aduoRGsakC&printsec=frontcover&source=gbs_v2_summary_r&cad=0
•http://web.usal.es/~tonidm/DEI_05_Bombas_compresores.pdf
