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El ingenioso mundo de las bombas (Bombas y Válvulas)
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El origen, uso y los diversos tipos de estos artefactos.
Revista Nº 29 noviembre-diciembre 1997
En medio del Océano, pareciera que el gigantesco trasatlántico comienza a perder la batalla contra las olas embravecidas que intentan tragárselo. Peligrosamente la proa se inclina hacia adelante como aceptando la inminencia de la derrota. El agua entra a borbotones por todos los costados de la embarcación, inundando con rapidez asombrosa la cubierta y luego las otras dependencias, para acumularse en los compartimientos más bajos, especialmente en la sala de máquinas.
A bordo, el caos es absoluto. Los marineros corren de un lado a otro. Y los pasajeros, aterrados en su mayoría, buscan refugio junto a los botes salvavidas. Sólo el capitán de la nave mantiene la calma. Entonces, con un vozarrón que opaca el bramido de las olas, ordena achicar el agua con las bombas de la sala de máquinas. A pesar del caos reinante, los marineros obedecen. La tarea se torna difícil y dramática.
El capitán, hombre acostumbrado a estos vaivenes de los mares, está tranquilo. Tiene la certeza de que en esa instancia decisiva, la tecnología superará con creces la arremetida de la naturaleza.
Y no estaba errado: gracias a las bombas y a pesar de su inclinación, el barco puede resistir hasta la llegada de la ayuda que se necesitaba. Lo que pudo ser una tragedia, no será sino una anécdota en la bitácora de viajes. Y un mal recuerdo, pero con final feliz para los hasta hace poco aterrados pasajeros.
Lo ocurrido en esta pequeña historia es una de las tantas aplicaciones de las bombas. Porque lo cierto es que cuando se habla de bombas, las aplicaciones surgen por decenas. Y, obviamente, también las bombas: una para cada aplicación.
Pero vamos por partes. Según un viejo diccionario de la lengua castellana, bomba es “un aparato mecánico que tiene por objeto aspirar, impeler o comprimir gases o líquidos. De la definición de este aparato se deduce la primera división que debe hacerse de las bombas, a saber: bombas para gases, especialmente para aire, y bombas para líquidos, generalmente para agua”. Hasta ahí la definición del diccionario.
Haciendo un poco de historia, lo concreto es que no hay datos ciertos acerca del origen de las bombas para elevar el agua. Sin embargo, puede afirmarse que se remonta a tiempos antiquísimos. Los primeros datos encontrados señalan que en el año 222 antes de Cristo las bombas ya se empleaban en Egipto. Y su perfeccionamiento se atribuye a Tesibio y Herón, dos matemáticos que vivieron en Alejandría, allá por el año 120 A. de C.. Pero el origen real de las bombas se pierde en el tiempo.
Nadie lo sabe. Hoy día las bombas son imprescindibles en cualquier actividad productiva, especialmente en el área industrial. Por eso, en este Informe Técnico, InduAmbiente se referirá en especial a las aplicaciones de las bombas -y también de las válvulas- en el sector industrial como aliadas del hombre en los procesos de tratamiento de las aguas.
El Uso de las Bombas
No cabe duda que en los últimos años el tratamiento de las aguas utilizadas en los procesos industriales (residuos industriales líquidos - RILES) ha cobrado cada vez mayor importancia, fundamentalmente a raíz de las siempre más severas exigencias gubernamentales.
El tratamiento de los efluentes ha originado una serie de métodos a veces tremendamente complejos, pero muy útiles en el objetivo de purificar las aguas. En algunos países, incluso, se exige tratar hasta las aguas de lluvia, de tal manera que se debe tener especial cuidado al proyectar redes más complicadas para su recolección y tratamiento.
La recolección, conducción y tratamiento de los RILES en las plantas existentes constituye un problema mucho más complejo en relación a los que se pueden derivar de la construcción de una planta. Cuando a las aguas de desecho no se le presta la debida atención, por lo general el sistema de tratamiento de aguas se construye lo más apartado posible del resto de la industria.
Lo definitivo, en todo caso, es que necesariamente se requiere mover líquidos, agregarles productos químicos, procesar pastas aguadas y contar con servicios de elementos líquidos y semilíquidos. Para el funcionamiento de estos procesos necesariamente se ocupan bombas de muchos tipos y de diferentes características.
En la unidades de tratamiento se suelen descargar los RILES, por gravedad, hacia un sistema de alcantarillado subterráneo a bien a canales abiertos. El escurrimiento superficial de las aguas lluvia contaminadas fluye por gravedad a un sumidero recolector central. Las corrientes de agua de enfriamiento, de purga de calderas, para tratamiento de aguas o de pastas aguadas de desecho y otro tipo de RILES, se deben separar o combinar y ser enviados luego a la zona de tratamiento. .
Cuando las aguas están en las estaciones de tratamiento, se les debe agregar diversas soluciones químicas, sean ácidas o básicas para su neutralización, coagulantes para clarificación, acondicionadores para desaguar lodos, etc.. Se trata, pues, de conducir pastas aguadas de cal, de licores biológicos mixtos o suspensiones similares. Los lodos de viscosidades y composiciones diferentes se deben desaguar por acción mecánica o bien ser enviados a aparatos espesadores, fosas, etc., a fin de concentrarlos y secarlos.
De la misma manera, se deben tomar muestras continuas para control de calidad del proceso y del efluente. Todas estas operaciones requieren bombas de diversos tipos y construcciones para desarrollar una gran variedad de servicios.
Tipos de Bombas
Existe una enorme variedad de bombas. A continuación se enumeran y detallan las más utilizadas en los sistemas de tratamiento de aguas industriales.
- Centrífuga
Se trata de un tipo muy general de bombas; en alguna época se denominaron AVS (American Voluntary Standar) y son del tipo suspendido. En estas, la impulsión del fluido se lleva a cabo tangencialmente mediante un rodete, que gira dentro de una carcaza en forma de voluta. Las bombas centrífugas constituyen no menos del 80% de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo.
Estas bombas están disponibles desde un tamaño de 1 in de descarga con capacidad de 100 gpm a 3.550 rpm, hasta 8 in de descarga para un máximo de unos 3.000 gmp. En determinados tamaños pequeños se pueden producir hasta 700 ft de carga a 3.550 rpm y unos 200 ft en tamaños más grandes que funcionan a 1.750 rpm. Como característica cuentan con un sistema de desarmado por la parte posterior y el elemento de bombeo se puede desmontar sin abrir las conexiones con la tubería. Se han diseñado para emplear sellos mecánicos, teniéndolos la mayor parte de ellas.
- Sumidero
Es una bomba centrífuga vertical que puede ser de una etapa, tipo voluta o de turbina de etapas sencilla o múltiples; esta última es una adaptación de la bomba de pozo profundo. Las bombas de sumidero son para instalarlas en una fosa o sumidero donde el nivel del agua es conocido.
- Sumergible
Es una bomba centrífuga, de construcción especial, de modo que se puedan sumergir toda la bomba y el motor. A menudo se diseñan para dejar pasar sólidos grandes y pueden funcionar en seco un tiempo razonable sin que sufran daño.
- Pistón (desplazamiento positivo)
Este tipo de bombas utilizan un pistón accionado por una leva o excéntrico para el movimiento directo del líquido. Está disponible en muchas capacidades y puede producir presiones de descarga hasta de 10.000 psig.
- Diafragma
Es una bomba de desplazamiento positivo de construcción especial. El diafragma actúa como pistón cuando recibe movimiento alternativo con un varillaje mecánico, aire comprimido o líquido hidráulico desde una fuente externa que los envía a pulsaciones. El diafragma también actúa como sello entre la fuerza de accionamiento y el líquido que se bombea.
- Rotatoria
Las bombas más comunes son las de engranes y la de tornillo o cavidad progresiva. Consta de una carcaza fija que contiene engranes, levas o excéntricas, émbolos o elementos similares accionados por la rotación del árbol propulsor. La bomba rotatoria más interesante en este caso es la de tornillo, que consta de un rotor que gira dentro de un estator con lo cual se forman cavidades en el sentido de descarga para mover la pasta aguada. Estas bombas pueden incluir trituradores.
- Peristáltica
Es un tipo especial de bomba rotatoria en la cual se utiliza un tramo de tubo colocado alrededor de una leva o excéntrica. Cuando gira la leva se aplica presión al líquido a lo largo del tubo.
Para Tener en Cuenta
Todo equipo rotatorio requiere algún tipo de sello entre el eje y la carcaza y hay dos clases muy usuales: el prensaestopas con empaquetadura y el sello mecánico. En el prensaestopas se colocan capas múltiples de empaquetadura dentro de un anillo de compresión, que se deben apretar periódicamente a medida que se gasta la empaquetadura.
La lubricación para la empaquetadura es el líquido que se bombea y debe tener un escurrimiento constante por el prensa estopas. Debido a que el anillo de compresión nunca se debe apretar al grado de interrumpir el escurrimiento, este evita daños a la empaquetadura. Si el líquido contiene sólidos, la empaquetadura se gastará muy pronto y se producirán serias fugas. Esta es adecuada para líquidos limpios; no se debe utilizar con líquidos corrosivos, peligrosos o que contengan abrasivos.
El sello mecánico tiene una cara fija y un elemento rotatorio sujetos entre sí con resortes, una placa de apoyo y otros componentes. Su ajuste preciso produce un verdadero sello mecánico que evita las fugas de la carcaza.
También se encuentra disponible una bomba sin sellos, llamada de rotor enlatado, en la cual el líquido circula por los cojinetes del motor y vuelve a la corriente general. Una placa delgada evita que el líquido toque los devanados del motor y no se necesita sello en el sello o árbol porque no hay fugas de ninguna clase. Se trata de una bomba más compacta que las convencionales.
Debido a que la mayoría de las aguas de desecho, como las de lluvia, de torre de enfriamiento, de purga de calderas o de efluente del clarificador tienen un pH de 6.0 a 9.0, el líquido no suele contener sustancias químicas peligrosas o corrosivas en una concentración elevada. En estos casos las bombas pueden ser de acero al carbono, hierro fundido y materiales similares.
En los procesos en que se agregan productos químicos o cuando o cuando se incorporan aceite desnatado, agua de lastre y otros líquidos corrosivos, se necesitan materiales de fabricación más resistentes a la acción de esas sustancias.
Transferencia de Efluentes
Los sistemas de recolección para tratamiento de aguas industriales son diferentes a los de bombeo en los procesos. En lugar de tener cuadros de bombeo a presión, los efluentes suelen descargar por gravedad en alcantarillados que llegan a una zona común de recolección, que está a menor altura. El flujo de los RILES también es más irregular en su aspecto hidráulico (por ejemplo, el escurrimiento superficial de agua de lluvia) que los flujos de proceso.
Se utilizan sumideros para recolección y estanques de compensación para suavizar las fluctuaciones en el flujo por gravedad. la selección del tipo de sumidero y de la capacidad de la bomba se deben calcular con cuidado a fin de poder manejar todo el caudal previsto. La selección de la capacidad de la bomba es importante porque si esta va a tener paros y arranques continuos se puede quemar el motor o, una bomba que se utiliza con poca frecuencia, quizás no funcione cuando se necesita.
Si un sumidero tiene un caudal de varios órdenes de magnitud, la configuración óptimas pueden ser bombas diferentes de distintas capacidades, accionadas mediante un control secuencial de nivel.
Las bombas verticales para sumidero, sean del tipo centrífugo con voluta o de turbina, son idóneas para mover líquidos desde un sumidero abierto o cerrado. Requieren una inmersión mínima encima de la campana de succión para evitar así que se formen vórtices.
Una bomba sumergible puede efectuar diversos servicios de transferencia de efluente. Puede funcionar en una amplia gama de niveles de líquido y están disponibles en capacidades de más de 2.000 gpm y cargas de 100 psig o más. Esta bomba tiene ciertas limitaciones de capacidad porque la bomba y el motor están dentro de una carcaza y se colocan en el fondo.
Las ventajas del tipo sumergible son que pueden funcionar en seco durante cierto tiempo y puede bombear sólidos suspendidos grandes si tiene impulsor de tipo abierto. Trabaja bien en estanques con niveles de líquido muy variables e incluso puede desecar una fosa o un estanque.
Adición de Productos Químicos
En el tratamiento de los residuos industriales líquidos se requiere la aplicación de productos químicos para optimizarlos y para ello se utilizan bombas de diafragma y de pistón.
Considerando que la mayoría de las adiciones de productos químicos (ácido base para ajuste de pH, nutrientes para tratamiento biológico, coagulantes para control de sólidos suspendidos, ayudas para la coagulación, etc.) son en galones por hora, la bomba de diafragma es ideal para esta operación. El diafragma, por lo general, se acciona con un émbolo o una leva que empuja contra un líquido intermedio, que puede ser aceite a base de petróleo.
Las válvulas de retención en los extremos de succión y descarga permiten adiciones constantes. El control de la capacidad de descarga se establece con el ajuste de la columna de líquido hidráulico que se deriva de la cavidad para el diafragma.
Las bombas de diafragma pueden mover soluciones de polímeros de alta viscosidad y se encuentran en una variedad de materiales metálicos o plásticos. Son muy confiables si el líquido no tiene sólidos suspendidos.
Si se requieren mayor capacidad o presiones más altas, se puede utilizar una bomba de pistón, que tiene casi las mismas características de descarga a pulsaciones que la de diafragma, pero el pistón está en contacto con el líquido.
Otras bombas que se utilizan para esta función son las de rotor enlatado y las peristálticas. La primera es del tipo centrífuga, sellada, que no tiene fugas con capacidad de entrega en galones por minuto; la segunda es de muy baja capacidad y tiene un tubo flexible envuelto alrededor de una leva giratoria. Las bombas peristálticas son para laboratorio o planta piloto; las de rotor enlatado descargan grandes volúmenes de productos peligrosos o tóxicos.
Conducción de Pastas Aguadas y Lodos
En el tratamiento de RILES se debe tener cuidado con las denominadas pastas aguadas y lodos. Por lo general los reglamentos para los efluentes exigen reducir los sólidos suspendidos en una cantidad de 10-20 mg/l y a veces menos.
El tratamiento biológico produce un licor mixto que se debe bombear para recircular los sólidos. Es necesario digerir, espesar y desaguar el exceso de biomasa. La concentración típica de sólidos en estas corrientes es entre 0,5% y 15%.
El tratamiento químico-físico produce corrientes de pastas aguadas de diferente composición química, contenido de sólidos, tamaño de partículas y abrasividad. Los lodos de las industrias petrolera y química orgánica se suelen procesar en la zona de tratamiento de aguas negras para eliminar el aceite.
Las industrias siderúrgicas y metalmecánicas producen pastas aguadas de composición muy variada. Incluso, las centrales generadoras alimentadas con combustible fósil, con lavadores tienen que manejar y eliminar grandes cantidades de pastas aguadas y lodos.
Y la lista sería interminable, puesto que cada pasta o lodo es diferente a los demás. Hasta ahora ha sido muy frecuente la aplicación incorrecta de bombas para pastas agudas o lodos porque no se han investigado a fondo la composición química, tamaño de partículas, abrasividad y otros factores.
Las bombas rotatorias, en especial las de tornillo, se utilizan frecuentemente para conducción de pastas aguadas o lodos; la acción de todas ellas es similar. Son autocebantes con altura de aspiración hasta de 28 ft; producen un caudal de flujo uniforme y, por lo general, no se obstruyen. Las hay con capacidad de centenares de gpm y presiones y descarga hasta de 300-400 psig.
Otras bombas que se emplean para estos fines son la rotatoria de engranes, pistón y diafragma. La rotatoria de engranes es similar a la de tornillo, excepto que se utilizan engranes acoplados; puede bombear una gran cantidad de materiales, como aceites, alquitrán, polímeros o cualquier líquido que no contenga sólidos duros.
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