bomba

f

Física

bateria de bombes centrífugues en una central de subministrament d’aigua potable

© Fototeca.cat

Aparell destinat a provocar el moviment d’un fluid al llarg d’un conducte, en un sentit determinat, mitjançant una aportació d’energia mecànica, que és transformada en un augment d’altura de càrrega.

El terme bomba és aplicat quan el fluid és un líquid net o carregat, una pasta o una massa granulosa, i, en el cas dels gasos, quan és practicat el buit en un recipient; en la resta de casos en què el fluid és un gas, hom parla de compressors ( compressor). Les aplicacions de les bombes són molt diverses, per tal com ho són les finalitats del transport de fluids. En molts casos interessa el fluid per ell mateix, sigui per a portar-lo en un indret determinat (elevació d’aigua potable per a distribució urbana o per a ús domèstic, regatge de peu o per aspersió, etc), sigui per a treure-l’en (dessecament de terrenys, buidatge de pous morts, etc). Però d’altres vegades el fluid no interessa per ell mateix, sinó com a mitjà: reserva d’energia a les instal·lacions hidroelèctriques d’acumulació, transmissió de moviment i de potència als accionaments hidràulics de tota mena de màquines, transmissió de calor, com és el cas dels elements calefactors o refrigeradors d’una màquina o d’un edifici, lubrificació dels òrgans d’una màquina, etc. Segons llur principi de funcionament, hom distingeix dos grups de bombes: les turbobombes i les bombes volumètriques. Les primeres (sovint anomenades bombes centrífugues, per generalització del nom d’un de llurs tipus) són basades en l’increment d’energia cinètica comunicat a la massa fluida per la rotació d’un rodet i la transformació subsegüent d’aquesta energia cinètica en energia de pressió. Les segones són fonamentades en la variació de capacitat d’un espai comprès entre unes peces mòbils i unes peces fixes, que augmenta quan és comunicat amb el costat d’aspiració i disminueix quan ho és amb el d’impulsió, de manera que a cada cicle és transportat d’una banda a l’altra un mateix volum de fluid. L’elecció del tipus de bomba depèn del fluid i de les condicions de treball, és a dir, del cabal i de l’altura d’impulsió que hom vol obtenir. Les bombes volumètriques són adequades quan hom vol empènyer cabals petits a altures (o pressions) importants; per a cabals mitjans i grossos i altures mitjanes i baixes són preferibles les turbobombes, més econòmiques i menys delicades. Si cal que la bomba sigui autoencebada, són més apropiades les bombes volumètriques que no pas les turbobombes.

Esquemes de diferents tipus de bombes hidràuliques

© Fototeca.cat

Representant en un diagrama la relació del cabal amb l’altura i amb la potència, per a una velocitat determinada, hom obté les corbes característiques de cada bomba. La corba cabal-altura de les turbobombes és de forma parabòlica, amb l’altura màxima limitada; quan l’altura disminueix, el cabal augmenta, i la potència també. El punt de funcionament real depèn de la corba característica de la instal·lació, fixada per l’altura d’elevació i la pèrdua de càrrega al conducte. En la pràctica, gairebé mai no és atès el punt d’altura nul·la i cabal màxim; a causa de la cavitació, el cabal resta limitat a un valor anomenat crític. En les bombes volumètriques la corba característica és gairebé paral·lela a l’eix de les altures, forma que indica que el cabal d’una bomba volumètrica és pràcticament constant qualsevol que sigui la pressió contra la qual treballa. Per això, en general, ha d’anar connectada a una vàlvula de seguretat que descarregui una part del cabal en atènyer la pressió el valor màxim que hom vol admetre al circuit. En són excepcions les bombes de tipus domèstic, que tenen uns jocs prou importants per a permetre que les fuites augmentin molt de pressa amb la pressió, de manera que aquesta resti limitada, i les bombes compensades de cabal variable, en les quals és regulat el cabal. En aquest darrer cas, la corba característica és composta de dues branques: una a cabal constant i l’altra a pressió constant (aproximadament). Segons la trajectòria recorreguda pel líquid, les turbobombes són classificades en bombes centrífugues, on el líquid entra axialment i d’on surt radialment, bombes d’hèlice, anomenades així per la forma del rodet, on el líquid entra i d’on surt axialment, bombes helicocentrífugues, que constitueixen un tipus intermedi, però, tecnològicament, més pròxim a les centrífugues; a cada valor del paràmetre

anomenat velocitat específica, on és la velocitat de rotació, Q el cabal i H l’altura, correspon, amb un rendiment òptim, un tipus de bomba i una forma de rodet: bombes d’hèlice per a grans valors de nsq, centrífugues per als petits, i amb el rodet tant més estret i de gran diàmetre com més petit és nsq. La velocitat específica té un valor mínim determinat per dificultats constructives i per la disminució del rendiment. Quan l’altura és important i cal que nsqsigui inferior al mínim, hom instal·la una bomba multicel·lular, és a dir, amb diversos rodets en sèrie, cadascun dels quals produeix una part proporcional de l’altura total. Les turbobombes són classificades també en bombes de superfície, situades fora del líquid, i bombes submergides. Aquestes últimes, que són pràcticament sempre d’eix vertical, poden ésser de motor no submergit i d’eix llarg, o de motor submergit, que requereix una tecnologia especial. El camp de les bombes volumètriques és molt gran i cobreix molts tipus de bombes amb diferències tecnològiques importants. En llur estructura més simple, el volum transportat a cada volta és sempre el mateix: és el cas de les bombes de cabal fix. Hi ha tipus on el volum pot ésser regulat bombes de cabal variable, i altres, bombes de cabal limitat, on, per damunt d’una determinada velocitat, el cabal no pot passar d’un cert valor. Hom distingeix també les bombes simples —amb un sol element de bombament— de les bombes dobles —amb dos elements—. Segons el moviment de llur òrgan mòbil, les bombes volumètriques són classificades en alternatives, de mànega i rotatives. Entre les bombes alternatives n'hi ha de pistó i de membrana. Les variacions de capacitat que originen el bombament són produïdes pel moviment de pistó dins un cilindre o per la flexió alternativa de la membrana. Dues vàlvules separen la cambra de la bomba dels conductes d’aspiració i d’impulsió i permeten el pas del fluid només en el sentit convenient. Les bombes de mànega funcionen mitjançant uns corrons que es desplacen al llarg d’un tub flexible estrenyent-lo i empenyent així el líquid. Les bombes rotatives constitueixen el grup més important i més diversificat de les bombes volumètriques. Segons llur estructura tecnològica, hom hi distingeix les bombes de pistons, les de paletes, les d’excèntrica, les d’engranatges, les de cargol i les d’anell líquid. Les bombes rotatives de pistons poden ésser de pistons paral·lels (axials o inclinats) o de pistons radials. La mateixa rotació del conjunt de pistons fa comunicar cada cilindre ara amb l’aspiració, ara amb la impulsió, sense que hi calguin vàlvules. A les bombes de paletes, aquestes llisquen dins unes ranures fetes al rotor prement sempre el perfil ovalat o excèntric d’un anell. La variació de capacitat de l’espai entre cada dues paletes produeix el bombament. Les bombes d’excèntrica són basades en un principi semblant: el rotor és cilíndric i gira excèntricament tocant sempre l’anell. El punt de contacte i un nervi oposat defineixen dues cambres on el volum varia. Les bombes d’engranatges consisteixen en dos rotors que giren al voltant d’eixos paral·lels fixos, mantenint-se sempre en contacte. Una part del fluid resta empresonada entre els rotors i les peces fixes i és transportada així del conducte d’aspiració al d’impulsió. Segons un principi semblant, funcionen les bombes d’alvèols. Les bombes de cargol consten de dos (o més) rotors helicoidals, amb hèlix de sentits contraris, que engalzen entre si i s’ajusten a la part interior de la carcassa delimitant un recinte només obert a l’exterior a través de les obertures d’aspiració i d’impulsió; en girar un rotor, impulsa l’altre (o altres) amb el seu moviment, i a l’ensems desplacen de manera contínua el líquid cap a l’obertura d’impulsió. En les bombes d’anell líquid, l’espai comprès entre cada dues paletes fixes del rotor i un anell líquid centrifugat a la perifèria varia de capacitat gràcies a les alternances de gruix de l’anell líquid, provocades per les de l’amplada del cos de bomba a la zona allunyada de l’eix. Finalment, hi ha diverses bombes per a aplicacions especials, les particularitats de les quals depenen del fluid que han de transportar o bé de les condicions de treball. Per raó de les condicions de treball cal esmentar, entre les turbobombes, les bombes amb ejector a l’aspiració, que poden pujar líquid des de grans fondàries; els acceleradors per a circuits de calefacció; les bombes de pot giratori, molt simples, útils per a dispositius de lubrificació. Els fluids per als quals són concebudes les bombes normals solen ésser l’aigua neta i freda (cas de les turbobombes, de les bombes d’anell líquid) o bé l’oli mineral no gaire calent (cas de la majoria de les bombes volumètriques rotatives). Els principals casos de bombes especials a causa del fluid transportat són les turbobombes per a líquids molt carregats de partícules sòlides, amb rodets amples i d’arestes ben arrodonides per tal d’evitar obstruccions; les bombes per a líquids calents, en les quals cal prendre precaucions especials d’instal·lació per tal d’evitar la cavitació, més important que en els líquids freds; les bombes per a líquids corrosius, on els problemes principals són l’atac de les peces que hi són en contacte i l a necessitat d’un estancament absolut; i les bombes per a metalls líquids, també anomenades bombes electromagnètiques, basades en l’acció combinada d’un camp elèctric i un camp magnètic, que exerceix una força sobre el metall conductor i l’empeny al llarg del conducte. Les bombes de buit, destinades a evacuar l’aire o altres gasos d’un recinte, s’apliquen a nombrosos processos industrials i de laboratori. Segons sigui el buit a atènyer, hom empra determinats tipus de bomba: així, per als buits baixos (> 102 Pa) i mitjans (fins a 10-1 Pa) és possible d’utilitzar bombes de pistó rotatiu, de paletes, d’anell líquid o bombes centrífugues multicel·lulars, totes elles de característiques molt semblants a les seves homòlogues utilitzades per als líquids, o les bombes de Root (també dites compressors de Root), constituïdes per un parell de rotors en forma de 8 (lemniscata) que funcionen seguint el mateix principi que les bombes d’engranatges; per als buits elevats (fins a 10-5 Pa), i un cop atès un buit mitjà amb alguna de les bombes indicades, hom empra les bombes d’ejecció, les de difusió, les moleculars i les turbomoleculars, i per arribar a buits elevadíssims (5 Pa) cal apel·lar a les bombes d’adsorció, a les iòniques o a les criogèniques. Les bombes d’ejecció consisteixen en un ejector per on hom fa sortir un líquid a molta velocitat; la depressió que es crea a la sortida de l’ejector xucla l’aire o el gas que hom vol extreure. Les bombes de difusió funcionen de manera semblant a les anteriors, però aquí els ejectors són múltiples i el fuid d’arrossegament és oli o mercuri vaporitzat. Les bombes moleculars i les turbomoleculars es basen en l’acció mecànica d’un rotor que gira a gran velocitat (> de 30000 rpm) dins la carcassa molt ajustada de l’estator; les molècules del gas enrarit, molt sensibles a l’efecte paret, són impel·lides cap a la sortida pel moviment del rotor. El darrer grup de bombes basen el seu funcionament en la fixació de les molècules residuals del gas bé sigui sobre superfícies actives com el carbó actiu, titani, zeolita, etc (bombes d’adsorció), mitjançant la reacció química amb substàncies de gran reactivitat com els getters (bombes iòniques), o provocant la condensació de les molècules del gas sobre una superfície refredada amb heli líquid a 15 K (bombes criogèniques).

Esquema d’una bomba de pistons axials

©

Corbes característiques de les bombes (H, altura d’elevació; N, potència; Q, cabal)

© fototeca.cat